DE2946795A1 - HIGH FREQUENCY ANTENNA - Google Patents

HIGH FREQUENCY ANTENNA

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DE2946795A1
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David Tipton Thomas
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    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/20Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart the units being spaced along or adjacent to a curvilinear path
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    • H01Q25/007Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device
    • H01Q25/008Antennas or antenna systems providing at least two radiating patterns using two or more primary active elements in the focal region of a focusing device lens fed multibeam arrays

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Description

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"■' ■■ ' ■'■'- München, den 20. November 1979 -. . '-»-jiAnwaltsaktenz. : 27 - Pat. 265 "■ ' ■■' ■ '■' - Munich, November 20, 1979 -.. '-» - jiAnwaltsaktenz.: 27 - Pat. 265

Raytheon Company, 1^1 Spring Street, Lexington, MA O2173i Vereinigte Staaten von AmerikaRaytheon Company, 1 ^ 1 Spring Street, Lexington, MA O2173i United States of America

HochfrequenzantenneHigh frequency antenna

Die Erfindung betrifft eine Hochfrequenzantenne. Sie bezieht sich im einzelnen auf eine Hochfrequenzantenne zur Erzeugung von sich über einen weiten Abtastwinkel erstreckender elektromagnetischer Strahlung.The invention relates to a high frequency antenna. She relates in detail on a high-frequency antenna for generating over a wide scanning angle electromagnetic radiation.

Durch die US-PS 37 55 815, (der die DE-OS 22 62 495 entspricht), ist ein sogenanntes Weitwinkel-Abtast-Antennensystem bekannt, dessen Verwendung sich anbietet, wenn ein Radarstrahl um einen Winkel abgelenkt werden soll, der größer ist als der größte Strahlablenkwinkel, der sich mit herkömmlichen planaren phasengesteuerten Antennenanordnungen, die auch als "Phased Array"-Antennen bezeichnet werden, erreichen läßt. Die durch die genannte US-PS bekannte Antennenanordnung besteht im wesentlichen aus einer herkömmlichen planaren phasengesteuerten Anordnung, die mit einer als Linse wirkenden Konstruktion zusammenmontiert ist. Wenn irgendein Teil dieser Konstruktion in kontrollierter Weise von der planaren phasengesteuerten Anordnung mit einem Radarstrahl angestrahlt wird, ändert sich die Richtung des Radarstrahles bezogen auf die Justierlinie der planaren phasengesteuerten Anordnung in ähnlicner Weise wie ein durch ein Prisma abgelenkter Lichtstrahl. Somit kann der Ablenkwinkel des sich im freien Raum ausbreitenden Radarstrahles wesentlich grosser sein als der größtmögliche Ablenkwinkel, der sichBy US-PS 37 55 815, (which corresponds to DE-OS 22 62 495), a so-called wide-angle scanning antenna system known, the use of which is useful when a radar beam is to be deflected by an angle that is greater than the largest beam deflection angle that can be achieved with conventional planar phased array antennas, also known as "phased array" antennas can be achieved. The antenna arrangement known from said US-PS consists essentially of a conventional planar phased array that assembles with a lens-acting structure is. If any part of this construction is controlled in a controlled manner from the planar phased Arrangement is irradiated with a radar beam, the direction of the radar beam changes in relation to the adjustment line the planar phased array in a manner similar to one deflected by a prism Beam of light. Thus, the deflection angle of the radar beam propagating in free space can be much larger than the greatest possible angle of deflection that can be

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ORIGINAL INSPECTED
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ORIGINAL INSPECTED

mit der planaren phasengesteuerten Anordnung allein erreichen läßt.achieve with the planar phased array alone leaves.

Mit Hilfe einer nach der Lehre der vorstehend genannten US-PS gestaltete Antennenanordnung läßt sich theoretisch ein Radarstrahl über extrem große Ablenkwinkel ablenken. Da der Strahl durch Steuerung der Phase der einzelnen Phasenschieber der planaren phasengesteuerten Anordnung abgetastet wird, ist der Abtastwinkel frequenzabhängig, so daß die Bandbreite der Antenne begrenzt ist.With the aid of an antenna arrangement designed according to the teaching of the above-mentioned US Pat deflect a radar beam over extremely large deflection angles. As the beam by controlling the phase of each Phase shifter of the planar phase-controlled arrangement is scanned, the scanning angle is frequency-dependent, so that the bandwidth of the antenna is limited.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung zur Abstrahlung von Hochfrequenzenergie zu schaffen, bei der die Amplitudenverteilung des gebündelten Strahles im freien Raum über den Querschnitt des Strahles wesentlich gleichförmiger ist als bei Antennen, bei denen die Linse durch eine planare Anordnung gespeist wird, und damit die Leistung des Antennensystems zu verbessern. The invention is based on the object of providing an antenna arrangement for radiating high-frequency energy create, in which the amplitude distribution of the bundled beam in free space over the cross-section of the Beam is much more uniform than with antennas, in which the lens is fed by a planar arrangement and thus improve the performance of the antenna system.

Diese Aufgabe wird durch die im kennzeichnenden Teil des Patentanspruches 1 genannten Merkmale gelöst.This object is achieved by the features mentioned in the characterizing part of claim 1.

Gemäß einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist eine zweite Hochfrequenzlinse mit einer Mehrzahl von Einspeisungsöffnungen vorgesehen, deren jede einem gebündelten Strahl der in den freien Raum abzustrahlenden Hochfrequenzenergie zugeordnet ist, wobei die zweite Linse zur Übertragung der Hochfrequenzenergie von den einzelnen Einspeisungsöffnungen zu der im Patentanspruch 1 genannten Mehrzahl von Antennenelementen dient. Dadurch wird die Verwendung von Phasenschiebern in der Antennenanordnung vermieden, so daß sich die Bandbreite, innerhalb derer das Antennensystem betrieben werden kann, vergrößert. Die Anordnung der Antennenelemente längs eines gekrümmten Pfades ermöglicht eine kleinere Baugröße der zweiten Hochfrequenzlinse und eine Verbesserung ihrer Wirkung.According to an advantageous development of the invention, a second high-frequency lens with a plurality of Infeed openings are provided, each of which is a focused beam to be emitted into the free space Radiofrequency energy is assigned, the second lens being used to transmit the radiofrequency energy from the individual feed openings to the claim 1 mentioned plurality of antenna elements is used. This makes the use of phase shifters in the antenna arrangement avoided, so that the bandwidth within which the antenna system can be operated increases. The arrangement of the antenna elements along a curved path enables a smaller size of the second high-frequency lens and an improvement in its effect.

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Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung sind Gegenstand der Unteransprüche, auf die hiermit zur Verkürzung der Beschreibung ausdrücklich verwiesen wird.Further advantageous refinements of the invention are the subject matter of the subclaims, which are hereby incorporated for the sake of brevity the description is expressly referred to.

Im folgenden sei die Erfindung anhand der Zeichnungen näher erläutert:The invention is explained in more detail below with reference to the drawings:

Fig. 1 zeigt eine schematische Darstellung eines Hochfrequenz-Antennensystems gemäß der Erfindung,Fig. 1 shows a schematic representation of a high-frequency antenna system according to the invention,

Fig. 2 zeigt ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise des in Fig. 1 dargestellten Antennensystems,Fig. 2 shows a diagram to explain the mode of operation the antenna system shown in Fig. 1,

Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Teiles des Antennensystems gemäß Fig. 1 mit einem Strahlendiagramm für einen Abtastwinkel von 90 ,Fig. 3 shows a schematic representation of a part of the antenna system according to FIG. 1 with a ray diagram for a scanning angle of 90,

Fig. 4 zeigt ein Diagramm zur Darstellung der Weglängenunterschiede verschiedener Strahlen des in Fig.3 dargestellten Teiles des Antennensystems,4 shows a diagram to illustrate the path length differences different beams of the part of the antenna system shown in Fig. 3,

Fig. 5 zeigt eine schematische Darstellung eines Teiles eines Antennensystems, bei dem die Antennenelemente längs einer geraden Linie angeordnet sind, und ein Strahlendiagramm für einen Abtastwinkel von 90°,Fig. 5 shows a schematic representation of part of an antenna system in which the antenna elements are arranged along a straight line, and a ray diagram for a scanning angle from 90 °,

Fig. 6 zeigt ein Diagramm mit Kurven für die Weglängenunterschiede verschiedener Strahlen des in Fig.5 teilweise dargestellten Antennensystems,6 shows a diagram with curves for the path length differences different beams of the antenna system partially shown in Fig. 5,

Fig. 7 zeigt eine schematische Darstellung eines Antennensystems gemäß der Erfindung,7 shows a schematic representation of an antenna system according to the invention,

Fig. 8 zeigt eine Kurve, die den Weglängen-Fehler des in Fig. 7 dargestellten Antennensystems widergibt,FIG. 8 shows a curve which reflects the path length error of the antenna system shown in FIG. 7,

Fig. 9 zeigt eine schematische Darstellung eines Antennensystems, bei dem die Antennenelemente längs einer geraden Linie angeordnet sind.Fig. 9 shows a schematic representation of an antenna system in which the antenna elements longitudinally are arranged in a straight line.

Fig.10 zeigt eine Kurve zur Veranschaulichung der Weglängen-Fehler des Antennensystems gemäß Fig. 9» Fig.11 zeigt eine Aufsicht auf ein Antennensystem gemäß10 shows a curve to illustrate the path length errors of the antenna system according to FIG. 9 »FIG. 11 shows a plan view of an antenna system according to FIG

der Erfindung.
Fig.12 zeigt eine bildmäßige Ansicht des Antennensystems
the invention.
Figure 12 shows a pictorial view of the antenna system

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gemäß Fig. 11,according to Fig. 11,

Fig.13 zeigt eine Querschnittsansicht eines Teiles des Antennensystems gemäß Fig. 12 entsprechend der dort eingezeichneten Linie XIII-XIII,FIG. 13 shows a cross-sectional view of part of the antenna system according to FIG. 12 according to the line XIII-XIII drawn there,

Fig.14 zeigt eine Aufsicht der Leiterschaltung einer in Streifenleitertechnik ausgeführten Hochfrequenzlinse mit planparallel angeordneten Platten zur Verwendung bei dem Antennensystem gemäß Fig. 13,14 shows a plan view of the conductor circuit of an in Stripline technology executed high-frequency lens with plane-parallel arranged plates for Use in the antenna system according to FIG. 13,

Fig.15a, 15b und 15c zeigen Antennendiagramme des Antennensystems gemäß Fig. 12.15a, 15b and 15c show antenna diagrams of the antenna system according to FIG. 12.

Das in Fig. 1 dargestellte Hochfrequenzantennensystem ist in seiner Gesamtheit mit 10 bezeichnet. Es umfaßt einen Abschnitt 11 mit gekrümmter Elementeanordnung zur Erzeugung und Ausrichtung eines nichtgebündelten Hochfrequenzstrahles sowie eine Hochfrequenzlinse 12, die zwischen der gekrümmten Anordnung 11 und dem freien Raum 13 liegt und mittels derer die Energie des gerichteten nichtgebündelten Strahles gebündelt, d.h. einer Kollimation unterworfen wird, so daß im freien Raum ein gebündelter Hochfrequenzstrahl erzeugt wird. Die Hochfrequenzlinse 12 beinhaltet eine Mehrzahl von Antennenelementen 14 und 16, die an ihrer inneren und äußeren Oberfläche 18 bzw. 20 montiert sind. Jedes an der inneren Oberfläche 18 angebrachte Antennenelement 14 ist über eine Übertragungsleitung 22 mit einem ihm zugeordneten Exemplar der an der äußeren Oberfläche 20 angebrachten Antennenelemente 16 verbunden. Die Länge jeder Übertragungsleitung 22 ist in der weiter unten beschriebenen Weise so bemessen, daß der in den freien Raum abzustrahlende Hochfrequenzstrahl einer Kollimation unterworfen wird und der Ablenkwinkel dieses Strahles in der weiter unten näher erläuterten Weise vergrößert wird. Der Abstand zwischen den individuellen Antennenelementen 14 und 16 ist unkritisch. Er muß nur so bemessen sein, daß die Ausbildung von Gitterkeulen im interessierenden Frequenzbereich vermieden wird. Die äußere Oberfläche 20 der Linse 12 istThe high-frequency antenna system shown in FIG. 1 is designated by 10 in its entirety. It includes one Section 11 with curved element arrangement for generating and directing a non-collimated radio frequency beam and a high frequency lens 12 located between the curved structure 11 and the free space 13 and by means of which the energy of the directed non-collimated beam is focused, i.e. subjected to collimation so that a collimated high frequency beam is generated in free space. The high frequency lens 12 includes a plurality of antenna elements 14 and 16 formed on their inner and outer surfaces 18 and 16, respectively. 20 are mounted. Each antenna element 14 attached to the inner surface 18 is via a transmission line 22 with an assigned copy of the antenna elements attached to the outer surface 20 16 connected. The length of each transmission line 22 is dimensioned in the manner described below so that that the high-frequency beam to be radiated into the free space is subjected to a collimation and the The deflection angle of this beam is increased in the manner explained in more detail below. The distance between the individual antenna elements 14 and 16 is not critical. It just needs to be sized so that the training of grating lobes in the frequency range of interest is avoided. The outer surface 20 of the lens 12 is

ü 3 0 U 2 2 / 0 7 9 7ü 3 0 U 2 2/0 7 9 7

auf einem KreisstUck mit dem äußeren Radius R2 vom Zentrum der Linse 12 angeordnet. Die innere Oberfläche 18 ist auf einem KreisstUck mit dem Radius R1 von dem genannten Zentrum angeordnet. Das Zentrum der Linse 12 befindet sich im Ursprungspunkt eines XY-Koordinatensystems. Man erkennt, daß die Linse 12 in ähnlicher Weise ausgebildet ist, wie bei dem in der obengenannten US-PS 37 55 815 beschriebenen Antennensystem.arranged on a circle with the outer radius R 2 from the center of the lens 12. The inner surface 18 is arranged on a circle with the radius R 1 from said center. The center of the lens 12 is located at the point of origin of an XY coordinate system. It can be seen that the lens 12 is designed in a similar manner as in the antenna system described in the above-mentioned US Pat. No. 3,755,815.

Der Abschnitt 1 mit gekrümmter Elementeanordnung besitzt Antennenelemente 24, die sich in dem Nahfeld der Linse 12 befinden. Diese Antennenelemente 24 sind im vorliegenden Beispiel regelmäßig längs eines Kreisbogenstückes mit dem Radius R,- pngeordnet, dessen Mittelpunkt sich im Abstand R, von dem Ursprung Null des Koordinatensystems der halbkreisförmigen Linse 12 befindet, so daß die BeziehungThe section 1 with the curved element arrangement has antenna elements 24 which are located in the near field of the lens 12 are located. These antenna elements 24 are in the present Example regularly along an arc of a circle with the radius R, - pnordinated, the center of which is at a distance R, located from the zero origin of the coordinate system of the semicircular lens 12, so that the relationship

ρ ρ 2ρ ρ 2

Rc = R1 + R^ gilt. Die Antennenelemente 24 des Abschnittes 11 mit gekrümmter Elementeanordnung sind über als Koaxialkabel ausgebildete individuelle Übertragungsleitungen 29 mit im folgenden als "Feldöffnungen11 bezeichneten Ausgängen einer mit parallelen Platten ausgebildeten Hochfrequenzlinse 26 verbunden. Die Parallelplattenlinse 26 besitzt eine Mehrzahl von Einspeisungsöffnungen 28, die mit einem herkömmlichen Radar-Sendeempfänger 27 verbunden sind. Die Form der Parallelplattenlinse 26,die Länge der Übertragungsleitungen 29, die Position der Antennenelemente 24 sowie die Länge der Übertragungsleitungen 22 sind in der weiter unten näher beschrieben Weise so bemessen, daß im freien Raum eine Mehrzahl von durch Kollimation gebündelten Hochfrequenzstrahlen erzeugt wird, wobei jeder dieser Strahlen einem entsprechenden Exemplar der Einspeisungsöffnungen 28 der Parallelplattenlinse 26 zugeordnet ist. Die Auswahl der genannten Parameter wird in Verbindung mit der im folgenden durchgeführten Analyse des Antennensystems 10 beschrieben. Diese Analyse basiert auf den Grundlagen er geometrischen oder Strahlenoptik. Diese Annäherung ist gültig, wenn sich die Linse 12 wieRc = R 1 + R ^ applies. The antenna elements 24 of the section 11 with the curved element arrangement are connected via individual transmission lines 29 in the form of coaxial cables to outputs, hereinafter referred to as "field openings 11 ", of a high-frequency lens 26 made with parallel plates Transceivers 27. The shape of the parallel plate lens 26, the length of the transmission lines 29, the position of the antenna elements 24 and the length of the transmission lines 22 are dimensioned in the manner described in more detail below so that in free space a plurality of collimated High-frequency beams are generated, each of these beams being assigned to a corresponding copy of the feed openings 28 of the parallel plate lens 26. The selection of the parameters mentioned is made in connection with the analysis of the ante internal system 10 described. This analysis is based on the fundamentals of geometric or ray optics. This approximation is valid when the lens 12 is like

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im vorliegenden Fall im Nahfeld des Abschnittes 11 mit gekrümmter Elementeanordnung befindet.in the present case is located in the near field of section 11 with a curved element arrangement.

Zunächst sei unter Zuhilfenahme von Fig. 2 die Auswahl der Länge der Übertragungsleitungen 22 der Linse 12 betrachtet: In Fig. 2 sind zwei Strahlen 32 und 32· dargestellt, die durch die Linse 12 hindurchtreten, wobei diese Strahlen 32 und 32· um einen kleinen Winkel δΘ (Fig.1) gegeneinander versetzt sind. Die von der Linse 12 verursachte Refraktion oder Strahlenbeugung kann durch Vergleich der elektrischen Weglängen bestimmt werden, die die Strahlen 32 und 32· bei ihrem Durchtritt durch die Linse 12 bis zu den Punkten D bzw. F durchlaufen, in denen sie eine gemeinsame planare Wellenfront W bilden. Zur Erzielung der gewünschten Kollimation muß die gesamte elektrische Weglänge des Strahles 32 von dem Punkt A über die Punkte B und C zu dem Punkt D gleich sein der gesamten elektrischen Weglänge des Strahles 32* von dem Punkt e zu dem Punkt F. Das bedeutetFirst, with the aid of FIG. 2, consider the selection of the length of the transmission lines 22 of the lens 12: FIG. 2 shows two beams 32 and 32 which pass through the lens 12, these beams 32 and 32 being a small one Angle δΘ (Fig.1) are offset from one another. The refraction or diffraction of rays caused by the lens 12 can be determined by comparing the electrical path lengths which the rays 32 and 32 traverse when they pass through the lens 12 to the points D and F, respectively, at which they have a common planar wavefront W form. To achieve the desired collimation, the total electrical path length of beam 32 from point A via points B and C to point D must be equal to the total electrical path length of beam 32 * from point e to point F. That means

(1) ABCD = EF.(1) ABCD = EF.

Wenn die Verschiebung zwischen den Strahlen 32 und 32' an der inneren Oberfläche 18 mit Δ S1 und an der äußeren Oberfläche 20 mit Δ Sp bezeichnet wird und wenn die elektrischen Längen der Übertragungsleitungen 22, über welche die Strahlen 32 und 32' verlaufen, mit P bzw. P + Δ Ρ bezeichnet werden, ergibt sich aus Gleichung (1) in Verbindung mit Fig. 1 und 2If the displacement between the beams 32 and 32 'on the inner surface 18 is indicated by Δ S 1 and on the outer surface 20 by Δ Sp and if the electrical lengths of the transmission lines 22 over which the beams 32 and 32' pass are indicated by P and P + Δ Ρ, respectively, results from equation (1) in conjunction with FIGS. 1 and 2

(2) AS, sin α + P + AS2 sin 6 = Ρ + ΔΡ,(2) AS, sin α + P + AS 2 sin 6 = Ρ + ΔΡ,

oc der Einfallswinkel des Strahles 32 und /3 der Brechungswinkel des Strahles 32 bedeuten.oc is the angle of incidence of beam 32 and / 3 mean the angle of refraction of the beam 32.

Da gemäß Fig. 1Since according to FIG. 1

Q30022/0797Q30022 / 0797

(3) AS1 =· R1 Δθ AS2 - R2 Δθ(3) AS 1 = · R 1 Δθ AS 2 - R 2 Δθ

ist, (worin Δ θ sehr klein ist), folgt aus den Gleichun gen (2) und (3) (where Δ θ is very small), it follows from equations (2) and (3)

(Zf) M ' M\ = Rl sin α + R2 sin (Zf) M 'M \ = R l sin α + R 2 sin

M\ Δθ^0 = Rl sin α + R2 M \ Δθ ^ 0 = R l sin α + R 2

Wenn man einen "zentralen" Strahl (d.h. den in Fig. 1 dargestellten senkrecht zur Linse 12 mit (X= O verlaufendenStrahl 34) betrachtet, ergibt sich aus GleichungConsidering a "central" ray (i.e. the ray shown in Fig. 1 perpendicular to lens 12 with (X = O 34) results from equation

= R2 sin β = R2 sin (K9q-90) ,= R 2 sin β = R 2 sin (K9q-9 0 ),

K den Winkelverstärkungsfaktor (d.h. das Verhältnis des Brechungswinkels des zentralen Strahles 34 zu dem Winkel Qq) undK is the angular gain factor (ie the ratio of the angle of refraction of the central ray 34 to the angle Qq) and

Öq den Winkel zwischen dem zentralen Strahl 32 und der Y-AchseÖq is the angle between the central ray 32 and the Y-axis

bedeuten.mean.

Aus den Gleichungen (4) und (5) ergibt sichFrom equations (4) and (5) results

CO
(6) P(8()) =J R2 sin (Κθοο) d60
CO
(6) P ( 8 () ) = J R 2 sin (Κθ οο ) d6 0

[1"cos [1 " cos

worin K eine Konstante für alle Winkel ©Q ist. where K is a constant for all angles © Q.

Gleichung (7) dient zur Berechnung der elektrischen Länge P jeder einzelnen Übertragungsleitung für jeden Winkel ©0 Equation (7) is used to calculate the electrical length P of each individual transmission line for each angle 0

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von der vertikalen Achse für einen vorgegebenen Winkelverstärkungsfaktor K und einen vorgegebenen äußeren Radiusfrom the vertical axis for a given angular gain K and a given outer radius

Nach der Berechnung der elektrischen Längen der Übertragungsleitungen 22 wird die längs der gekrümmten Anordnung der Antennenelemente 24 erforderliche Phasenvertei lung für den Entwurf des Abschnittes 11 mit gekrümmter ElementeanOrdnung, insbesondere die Position der Antennenelemente 24 und die elektrischen Längen der Übertragungsleitungen 29 bestimmt.After the calculation of the electrical lengths of the transmission lines 22 , the phase distribution required along the curved arrangement of the antenna elements 24 for the design of the section 11 with the curved element arrangement, in particular the position of the antenna elements 24 and the electrical lengths of the transmission lines 29, is determined.

Gemäß Fig. 1 kann der Bogen 27» längs dessen die Antennenelemente 24 angeordnet sind, durch folgende Gleichung dargestellt werden:According to FIG. 1, the arc 27 along which the antenna elements 24 are arranged can be represented by the following equation will:

(8) X2 + (Y-R4)2 = R5 2 = R1 2 + R4 2.(8) X 2 + (YR 4 ) 2 = R 5 2 = R 1 2 + R 4 2 .

Für ein bestimmtes Exemplar der Antennenelemente 24, im vorliegenden Fall für das Antennenelement 24a mit den Koordinaten X1 und Yp,giltFor a specific example of the antenna elements 24, in the present case for the antenna element 24a with the coordinates X 1 and Yp, the following applies

X1 = R1 sin θ - L3 sin (Θ - α) (10) Yl = Rl C0S θ " L3 C0S (θ " 0^ 'X 1 = R 1 sin θ - L 3 sin (Θ - α) (10) Y l = R l C0S θ " L 3 C0S (θ " 0 ^ '

worin (gemäß Fig. 1)where (according to Fig. 1)

L, die elektrische Länge des Strahles 32 von dem Antennenelement 24a bis zur inneren Oberfläche 18 der Linse 12 und
θ die Winkelabweichung zwischen
L, the electrical length of beam 32 from antenna element 24a to inner surface 18 of lens 12 and
θ is the angular deviation between

(a) einer Normalen N von dem Ursprung 0 des X-Y Koordinatensystems zu dem Schnittpunkt zwischen dem Strahl 32 und der inneren Oberfläche 18 und(a) a normal N from the origin 0 of the X-Y coordinate system to the intersection between beam 32 and inner surface 18 and

(b) der vertikalen Achse Y
bedeuten.
(b) the vertical axis Y
mean.

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Durch Substitution der Gleichungen (9) und (10) in Gleichung (6) kann gezeigt werden, daßBy substituting equations (9) and (10) in equation (6) it can be shown that

(12) L=R cos a-R cos(e-a) ±
3 1 4
(12) L = R cos aR cos (ea) ±
3 1 4

\i[R cos a-R cos (θ-α)]7+ 2R R cos Θ1 . 1 4 14 \ i [R cos aR cos (θ-α)] 7 + 2R R cos Θ 1 . 1 4 14

(Das Vorzeichen in Gleichung (12) ist entsprechend den physikalischen Erfordernissen so gewählt, daß sich positive Längen ergeben. Im folgenden wird das Pluszeichen verwendet). Ferner ergibt sich aus den Gleichungen (4) und (5):(The sign in equation (12) is chosen in accordance with the physical requirements so that positive Lengths result. The plus sign is used in the following). Furthermore, from equations (4) and (5):

. R sin α +R sin B=R sin(K9 -Θ) 03) 12 2 ο. R sin α + R sin B = R sin (K9 -Θ) 03) 12 2 ο

sin α = [R /R ] [sin (Κθ -Θ) - sin (Κθ -Θ)] 2 1 οsin α = [R / R] [sin (Κθ -Θ) - sin (Κθ -Θ)] 2 1 ο

daher kann Gleichung (12) zur Berechnung von L, verwendet werden, wobei oc durch die Gleichung (13) definiert ist.therefore, equation (12) can be used to calculate L. where oc is defined by equation (13).

Für einen vorgegebenen Winkelverstärkungsfaktor K läßt sich die gesamte differentielle Weglänge /SL zwischen dem zentralen Strahl 34, d.h. dem durch die Punkte X=O und Y=O verlaufendenStrahl und dem Strahl 32 gemäß Fig. 1 durch folgende Gleichung darstellen;For a given angular gain K, the total differential path length / SL between the central ray 34, ie the ray passing through the points X = O and Y = O and the ray 32 of Figure 1 can be represented by the following equation;

(14) AL = [L (Θ) + Ρ(θ)] - [L (θ ) + Ρ(θ ) + Τ(θ)1 3 3 ο ο(14) AL = [L (Θ) + Ρ (θ)] - [L (θ) + Ρ (θ) + Τ (θ) 1 3 3 ο ο

Μ^ Τ(θ) = R [cos (Κθ - θ ) - cos (K6 -θ)] ν ■>' 2 οο ο Μ ^ Τ (θ) = R [cos (Κθ - θ) - cos (K6 -θ)] ν ■>' 2 οο ο

bedeutet.means.

Fig. 3 zeigt ein Strahlendiagramm für eine Linse 12 mitFig. 3 shows a ray diagram for a lens 12 with

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einem (auf den Radius RQ normierten) inneren Radius R1 von 1,2, einem äußeren Radius von 1,5 und einem Winkelverstärkungsfaktor K von 1,5· Die gekrümmte Anordnung umfaßt hier Antennenelemente 24, die längs eines Kreisbogenstückes mit einem Radius R1- von 1,7 angeordnet sind, (d.h. R^ = 1,2). Es ist eine 90°-Ablenkung dargestellt, d.h.der Winkel QQ = 60°. Fig. 4 zeigt die differentielle Weglänge Λ L als Funktion von / X/RQ| für QQ = 0, + 45°, + 60° für die in Fig. 3 dargestellte Anordnung, worin RQ die halbe längs der X-Achse gemessene Länge (Fig. 1) der Anordnung 24 darstellt, die im vorliegenden Fall 1,0 beträgt. Es sei noch einmal erwähnt, daß die Größen R1, Rp, R, und R1- auf RQ normiert sind.a (normalized to the radius R Q) inner radius R 1 of 1.2, an outer radius of 1.5, and an angle gain K of 1.5 x here The curved configuration includes the antenna elements 24, along a circular arc segment with a radius R 1 - are arranged from 1.7, (i.e. R ^ = 1.2). A 90 ° deflection is shown, ie the angle Q Q = 60 °. Fig. 4 shows the differential path length Λ L as a function of / X / R Q | for Q Q = 0, + 45 °, + 60 ° for the arrangement shown in FIG. 3, where R Q represents half the length measured along the X axis (FIG. 1) of the arrangement 24, which in the present case is 1, Is 0. It should be mentioned again that the quantities R 1 , Rp, R, and R 1 - are normalized to R Q.

Zum Vergleich mit dem in Fig. 3 dargestellten Strahlendiagramm der Linse 12 ist in Fig. 5 ein Strahlendiagramm mit linearer Anordnung der Antennenelemente 24 dargestellt. Es ist wieder eine 90°-Abtastung gezeigt, d.h. QQ = 60°. Die differentielle Weglänge Δ L für Anordnungen der inFor comparison with the ray diagram of the lens 12 shown in FIG. 3, FIG. 5 shows a ray diagram with a linear arrangement of the antenna elements 24. A 90 ° scan is shown again, ie Q Q = 60 °. The differential path length Δ L for arrangements of the in

Fig. 5 gezeigten Art ist in Fig. 6 für θ0 = 0°, + 20°,Fig. 5 is shown in Fig. 6 for θ 0 = 0 °, + 20 °,

+ 30 , + 40° + 50° und + 60° gezeigt. Man erkennt durch Vergleich von Fig. 3 und 5 daß die Amplitudenverteilung über die Wellenfront bei der gekrümmten Anordnung der Antennenelemente 24 (Fig. 3) gleichförmiger ist als bei einer linearen Anordnung der Antennenelemente 24 (Fig.5). Bei einem System mit flacher oder linearer Anordnung (Fig. 5) ergibt sich also eine erhebliche Amplitudenverzerrung, die in der Strahlendichte als "Zusammenballung" der Strahlen in dem oberen Bereich des Strahlenbündels für eine 90°-Ablenkung (QQ = 60°) erkennbar ist. Im Gegensatz dazu besitzt die gekrümmte Anordnung gemäß Fig.2 eine sehr geringe Amplitudenverzerrung, was in der gleichförmigen Strahlendichte in Fig. 3 erkennbar ist.+ 30, + 40 ° + 50 ° and + 60 ° are shown. By comparing FIGS. 3 and 5, it can be seen that the amplitude distribution over the wavefront with the curved arrangement of the antenna elements 24 (FIG. 3) is more uniform than with a linear arrangement of the antenna elements 24 (FIG. 5). In a system with a flat or linear arrangement (FIG. 5) there is therefore a considerable amplitude distortion, which can be seen in the radiation density as a "cluster" of the rays in the upper region of the beam for a 90 ° deflection (Q Q = 60 °) is. In contrast to this, the curved arrangement according to FIG. 2 has a very low amplitude distortion, which can be seen in the uniform radiation density in FIG.

Die Anordnung der Antennenelemente 24 längs des Kreisbogenstückes mit dem Radius R,- in Fig. 1 und die Längen der Ubertragungsleitungen 29 sind in der im folgenden näherThe arrangement of the antenna elements 24 along the circular arc piece with the radius R, - in Fig. 1 and the lengths of the Transmission lines 29 are detailed below

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beschriebenen Weise so gewählt, daß sich ein keine Kollimation aufweisendes Strahlenbündel ausbildet, dessen zentraler Strahl relativ zu der betreffenden Einspeisungsöffnung 28 einen Winkel von QQ aufweist und daß längs der gekrümmten Anordnung der Antennenelemente 24 eine solche Phasenverteilung besitzt, daß die Hochfrequenzlinse 12 eine Kollimation der Hochfrequenzenergie des gerichteten Strahlenbündels bewirkt und aus ihm im freien Raum ein durch Kollimation gerichtetes Strahlenbündel mit einer Winkelabweichung von KQQ erzeugt. D.h., die Parallelplattenlinse 26, die Längen der Ubertragungsleitungen 29 und die Anordnung der Antennenelemente 24 sind so ausgebildet, daß die elektrische Länge von einer der Einspeisungsöffnungen 28 zu allen Punkten auf der Wellenfront des entsprechenden Strahlenbündels im freien Raum gleich groß ist. Daher eignet sich das Antennensystem 10 zur Erzeugung von einer Vielzahl in Kollimation ausgerichteter Strahlenbündel im freien Raum, von denen jedes einer der Einspeisungsöffnungen 28 entspricht. (Das Antennensystem 10 kann infolgedessen als sogenanntes "Multibeam"-Antennensystem betrachtet werden). Im vorliegenden Fall richten die Einspeisungsöffnungen 28a, 28b und 28c Strahlenbündel, die keine Kollimation aufweisen, so aus, daß ihre Winkelabweichungen - 60°, 0° bzw. + 60° betragen. Hieraus folgt, daß der Abschnitt 11 mit gekrümmter Elementeanordnung so gestaltet sein muß, daß die elektrische Länge von jeder der Einspeisungsöffnungen 28 zu der Anordnung der Antennenelemente 24 die Konjugierte der differentiellen Weglänge Δ L ist, wie dies in Fig. 4 für O0 = 60° dargestellt ist.is chosen so that a non-collimated beam is formed, the central beam of which has an angle of Q Q relative to the relevant feed opening 28 and that along the curved arrangement of the antenna elements 24 has such a phase distribution that the high-frequency lens 12 collimates the High-frequency energy of the directed bundle of rays causes a bundle of rays directed by collimation with an angular deviation of KQ Q to be generated from it in free space. That is, the parallel plate lens 26, the lengths of the transmission lines 29 and the arrangement of the antenna elements 24 are designed so that the electrical length from one of the feed openings 28 to all points on the wavefront of the corresponding beam in free space is the same. The antenna system 10 is therefore suitable for generating a large number of beam bundles aligned in collimation in free space, each of which corresponds to one of the feed openings 28. (The antenna system 10 can consequently be viewed as a so-called "multibeam" antenna system). In the present case, the feed openings 28a, 28b and 28c align bundles of rays which have no collimation in such a way that their angular deviations are −60 °, 0 ° and + 60 °, respectively. It follows from this that the section 11 with the curved element arrangement must be designed in such a way that the electrical length from each of the feed openings 28 to the arrangement of the antenna elements 24 is the conjugate of the differential path length Δ L, as in FIG. 4 for O 0 = 60 ° is shown.

In einem Aufsatz mit dem Titel "Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications" von W. Rotman und R. F. Turner in der Zeitschrift IEEE Transactions on antennas and propagation, Ausgabe November 1963, Seiten 623 bis 632 und in der US-PS 37 61 936 mit dem Titel "Multi-beam Array Antenna" ist die Frage nach der LageIn a paper entitled "Wide-Angle Microwave Lens for Line Source Applications" by W. Rotman and R. F. Turner in the journal IEEE Transactions on antennas and propagation, November 1963 issue, pages 623 to 632 and in US-PS 37 61 936 with the title "Multi-beam Array Antenna" is the question of the location

03 0022/079703 0022/0797

29A679529A6795

der Einspeisungsöffnungen 28 diskutiert. Danach können diese Einspeisungsöffnungen 28 in einem Feld beliebiger Form angeordnet sein, müssen jedoch definierte Längen oder Abstandsparamter besitzen, die hier mit X bezeichnet sind, damit die Position jedes Antennenelementes 24 definiert ist. In Fig. 1 ist beispielsweise das Antennenele ment 24a bei einer Länge oder einem Abstand X1 angeordnet. Außerdem werden drei Fokalpunkte gewählt, und zwar zwei an den Einspeisungsöffnungen 28a und 28c, d.h. mit den Fokalabständen F und den Winkeln +6.. bzw. - <£i > und der dritte an der Einspeisungsöffnung 28b, d.h. mit der Fokallänge G und dem Winkel 4=0°. of the feed openings 28 are discussed. According to this, these feed openings 28 can be arranged in a field of any shape, but must have defined lengths or spacing parameters, which are denoted here by X , so that the position of each antenna element 24 is defined. In Fig. 1, for example, the antenna element 24a is arranged at a length or a distance X 1 . In addition, three focal points are selected, namely two at the feed openings 28a and 28c, ie with the focal distances F and the angles +6 .. or - <£ i> and the third at the feed opening 28b, ie with the focal length G and the Angle 4 = 0 °.

Im folgenden seien drei beliebige mit P1 (X), Pp (X) und P, (X) bezeichnete Phasenfronten oder -Verteilungen längs der gekrümmten Anordnung der Antennenelemente betrachtet, wobei P-. (X) die der Einspeisungsöffnung 28a, Pp (X) die der Einspeisungsöffnung 28c und P, (X) die der Einspeisungsöffnung 28b zugeordneten Phasenverteilungen bedeuten. (Es sei angenommen, daß die Phase bei allen Verteilungen im Punkt X=O den Wert Null habe, d.h. P1 (0) = P (0) = P, (0) =0.) Wie oben erwähnt wurde, sind die Phasenverteilungen in diesem Fall die Konjugierten der differentiellen Weglängen Δ L der planaren Wellenfronten von Strahlenbündeln bei QQ = 60° (Abtasiwinkel K 60°), θ0 = + 60° (Abtastwinkel + K 60°) bzw. G0 = 0°. Für die weiter unten durchgeführte Analyse ist ein XY-LKoordinatensystem gewählt, dessen Ursprung wie in Fig. 1 dargestellt, im Zentrum des Bogens der Feldöffnungen 25 liegt.In the following, any three phase fronts or distributions denoted by P 1 (X), Pp (X) and P, (X) are considered along the curved arrangement of the antenna elements, where P-. (X) that of the feed opening 28a, Pp (X) that of the feed opening 28c and P, (X) the phase distributions assigned to the feed opening 28b. (It is assumed that the phase has the value zero for all distributions at point X = O, ie P 1 (0) = P (0) = P, (0) = 0.) As mentioned above, the phase distributions are in this case the conjugates of the differential path lengths Δ L of the planar wavefronts of beams at Q Q = 60 ° (scanning angle K 60 °), θ 0 = + 60 ° (scanning angle + K 60 °) or G 0 = 0 °. For the analysis carried out further below, an XY-L coordinate system is selected whose origin, as shown in FIG. 1, lies in the center of the arc of the field openings 25.

Aus Fig. 1 lassen sich die folgenden drei Gleichungen für die Weglängen herleiten:The following three equations for the path lengths can be derived from Fig. 1:

^1 cos δ + YM + (F sin 6 + X) + V/ + P (X) = F + W^ 1 cos δ + YM + (F sin 6 + X) + V / + P (X) = F + W

2 21 2 2 1

.Τ cos δ ♦ Y') + (F sin 6 - X) + W + P (X) = F + W.Τ cos δ ♦ Y ') + (F sin 6 - X) + W + P (X) = F + W

2 ο2 ο

(18) Λ, f| (18) Λ , f |

; + γ·) +χ +w+P(xj=G + w , 020022ΛΟ797 ο; + γ) + χ + w + P (xj = G + w, 020022ΛΟ797 ο

worin WQ die elektrische Länge der "zentralen" übertragungsleitung 29 und W die elektrische Länge einer übertragungsleitung 29 im Abstand X von Y oder Y'-Achse bedeuten.where W Q is the electrical length of the "central" transmission line 29 and W is the electrical length of a transmission line 29 at a distance X from the Y or Y 'axis.

Für die Lösung der Gleichungen (16), (17) und (18) wird zur Vereinfachung der Wert WQ als Null angenommen, da die Addition oder Subtraktion gleicher Weglängen die analytische Form des Abschnittes 11 mit gekrümmter Elementeanordnung nicht verändert. Zur weiteren Vereinfachung der Analyse sei angenommen, daß das Antennensystem 10 sowohl mit der Linse 12 als auch mit der Parallelplattenlinse symmetrisch zur Y- bzw. Y'-Achse angeordnet ist. For the solution of equations (16), (17) and (18), the value W Q is assumed to be zero for the sake of simplicity , since the addition or subtraction of equal path lengths does not change the analytical shape of the section 11 with a curved arrangement of elements. To further simplify the analysis, it is assumed that the antenna system 10, both with the lens 12 and with the parallel plate lens, is arranged symmetrically to the Y or Y 'axis.

Die Gleichungen (16), (17) und (18) können in folgender Weise neu geordnet werden:Equations (16), (17) and (18) can be rearranged in the following way:

[P1CX)-P7(X)] /, \ ")[P 1 CX) -P 7 (X)] /, \ ")

(19) X = — - \(P (X) + P (X) - 2F) + 2K =(19) X = - - \ (P (X) + P (X) - 2F) + 2K =

4F sin 6 (V 1 2 ' ) 4F sin 6 (V 1 2 ')

= X + X W 0 1 = X + XW 0 1

2 ρΊ 2(Χ) + P? (X) - P (X) +2G P (X) 2 ρ Ί 2 (Χ) + P? (X) - P (X) + 2G P (X)

£ £ 2 3 32 3 3

Y1 = - 2(G-F cos 6)Y 1 = - 2 (GF cos 6)

2W ^G-F+P (X) + P (X)-2P (X)H \ ι 2 3 ') 2W ^ G-F + P (X) + P (X) -2P (X) H \ ι 2 3 ')

-(Y ♦ WY ) 0 1- (Y ♦ WY) 0 1

durch Einsetzen der Gleichungen (19) und (20) in Gleichung (18) erhält man eine quadratische Gleichung für W:Substituting equations (19) and (20) into equation (18) one obtains a quadratic equation for W:

(21) AW + 2BW + C = 0 ,(21) AW + 2BW + C = 0,

in derin the

Q3ÜQ22/Q7Q3ÜQ22 / Q7

')*'') *' 29A679529A6795

2 41 2 41

A=I-X - Y 2
1 1
A = IX - Y 2
1 1

B = P (X) - G + Y G-XX -Y Y 3 1 0 10 1B = P (X) - G + Y G-XX -Y Y 3 1 0 10 1

2
C = P (X) - 2G P (X) +2GY - Y 2 - X 2
2
C = P (X) - 2G P (X) + 2GY - Y 2 - X 2

3 3 0 0 0 bedeuten.3 3 0 0 0 mean.

Daraus ergibt sichThis results in

-B t ^_-B t ^ _

(22) W(X,Y) = A" ι(22) W (X, Y) = A "ι

wobei X und Y aus den Gleichungen (19) und (20) gefunden werden. Das Vorzeichen in Gleichung (22) ist so gewählt, daß die Ergebnisse die ursprünglichen Gleichungen (16), (17) und (18) für die Weglängen befriedigen.where X and Y are found from equations (19) and (20). The sign in equation (22) is chosen so that that the results satisfy the original equations (16), (17) and (18) for the path lengths.

Damit ist die Gestalt des gekrümmten Abschnittes 11 vollständig bestimmt. D.h. für drei Phasenverteilungen P.(X), Pp (X) und P^ (X) können die X, Y-Positionen der Antennenelemente 24 und die elektrischen Längen W der Übertragungsleitungen 29 berechnet werden für eine Parallelplattenlinse 26 mit vorgegebenen Fokalabständen F und G, so daß sich drei "perfekte" Fokalpunkte ergeben, d.h. drei "perfekte" differentielle Weglängen bei QQ = 0° - 60° und + 60°, die eine Kollimation durch die Linse 12 bei Abtastwinkeln von 0°, - K 60° bzw. + K 60° ermöglichen.The shape of the curved section 11 is thus completely determined. That is, for three phase distributions P. (X), Pp (X) and P ^ (X), the X, Y positions of the antenna elements 24 and the electrical lengths W of the transmission lines 29 can be calculated for a parallel plate lens 26 with predetermined focal distances F and G , so that there are three "perfect" focal points, ie three "perfect" differential path lengths at Q Q = 0 ° - 60 ° and + 60 °, which collimation through the lens 12 at scanning angles of 0 °, - K 60 ° or . + K 60 ° enable.

An den Einspeisungsöffnungen 28 zwischen den drei "perfekten" Fokalpunkten (d.h. den Einspeisungsöffnungen 28a,28b und 28c) treten Weglängenfehler auf. Die Größe des Weglängenfehlers hängt von folgenden zwei Faktoren ab:At the feed ports 28 between the three "perfect" focal points (i.e. the feed ports 28a, 28b and 28c) path length errors occur. The size of the path length error depends on the following two factors:

1. Der Phasenverteilung Pn (X), die für die Linse 12 bei Zwischenwinkeln, d.h. bei Winkeln zwischen - K 60°,1. The phase distribution P n (X) for the lens 12 at intermediate angles, ie at angles between - K 60 °,

0. , + K 60°) erforderlich sind und0., + K 60 °) are required and

2. den Weglängen in der Parallelplattenlinse 26 für die entsprechenden zwischenliegenden Einspeisungsöffnungen 28.2. the path lengths in the parallel plate lens 26 for the corresponding intermediate feed openings 28.

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Die Weglänge L1 durch die Parallelplattenlinse 26 von einer Einspeisungsöffnung 28 unter einem Winkel Γ und mit einer Länge H zu den Antennenelementen 24 bei einem Abstand X kann durch folgende Gleichung bestimmt werden:The path length L 1 through the parallel plate lens 26 from a feed opening 28 at an angle Γ and with a length H to the antenna elements 24 at a distance X can be determined by the following equation:

(23) L'(X,YfH) - V(H cos γ + Y1) + (H sin γ + X)(23) L '(X, Yf H) - V (H cos γ + Y 1 ) + (H sin γ + X)

Der totale Weglängenfehler des gesamten Antennensystems 10 beträgt daherThe total path length error of the entire antenna system 10 is therefore

(24) E(X,Θ) » AL - (L'-H).(24) E (X, Θ) »AL - (L'-H).

Fig. 7 zeigt ein Antennensystem mit der in Fig. 3 dargestellten halbkreisförmigen Hochfrequenzlinse 12 (d.h. mit R1 = 1,2, R2 = 1,5, R4= 1»2 und K = 1,5) mit einem gekrümmten Feldabschnitt 11, der so gestaltet ist, daß sich eine "optimale" Wirkung ergibt, wobei das Attribut "optimal" lose definiert ist durch die Linsengröße, die Linsengestalt, die Geometrie, die es ermöglicht, daß die Einspei sungsöffmangen 28 und die Feldöffnungen 25 einander "gegenüberliegen", und die Weglängenfehler für die zwischenliegenden Einspeisungsöffnungen 28. Bei der dargestellten Ausbildung des Antennensystems ist G/F = 1,10,FIG. 7 shows an antenna system with the semicircular high-frequency lens 12 shown in FIG. 3 (ie with R 1 = 1.2, R 2 = 1.5, R 4 = 1 >> 2 and K = 1.5) with a curved field section 11, which is designed in such a way that an "optimal" effect results, the attribute "optimal" being loosely defined by the lens size, the lens shape, the geometry that enables the feed openings 28 and the field openings 25 to overlap " opposite ", and the path length errors for the intermediate feed openings 28. In the embodiment of the antenna system shown, G / F = 1.10,

6 j - ± ^0°, und 1/F = 0,65. Fig. 8 zeigt den über alles genommenen Weglängenfehler E bei zwischenliegenden unfokussierten Abtastwinkeln als Funktion von X/RQ. Man erkennt, daß die Spitzenfehlerbreite (der Abstand zwischen dem größten negativen und dem größten positiven Fehler) in der Größenordnung von 0,00185 Rq liegt. 6 j - ± ^ 0 °, and 1 / F = 0.65. 8 shows the overall path length error E for intermediate unfocused scanning angles as a function of X / R Q. It can be seen that the peak error width (the distance between the largest negative and the largest positive error) is on the order of 0.00185 Rq.

Zum Vergleich zeigt Fig. 9 die "optimale" Gestalt einer Parallelplattenlinse 26 für eine lineare Anordnung der Antennenelemente, wobei die gleiche Linsenkonfiguration (d.h. R1 = 1,2, R2 s 1,5, K = 1,5) benutzt wurde wie in Fig. 5. Hier gilt G/F = 1,25, 6 -, - + 25° und 1/F = 0,45. Zunächst erkennt man, daß die Größe der Parallelplattenlinse 26 etwa 50% größer ist als die der Parallelplatten-For comparison, FIG. 9 shows the "optimal" shape of a parallel plate lens 26 for a linear arrangement of the antenna elements, the same lens configuration (ie R 1 = 1.2, R 2 s 1.5, K = 1.5) being used as in Fig. 5. Here, G / F = 1.25, 6 -, - + 25 ° and 1 / F = 0.45. First of all, it can be seen that the size of the parallel plate lens 26 is about 50% larger than that of the parallel plate lens

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- 29Λ6795- 29Λ6795

linse gemäß Fig. 7, bei der eine gekrümmte Anordnung der Antennenelemente 24 verwendet wird. Außerdem ist die Form der Parallelplattenlinse in Fig. 9 vergleichsweise wenig effizient, da sie mehr kreisförmig ausgebildet ist als die in Fig. 7 dargestellte Parallelplattenlinse, weil die Extrembereiche 27 der Einspeisungsöffnungen 25 dem Bogen der Feldöffnungen 25 nicht gegenüberliegen, so daß die Wirkung der Linse 26 reduziert ist. Der Fehler (E) für dieses Antennensystem ist in Fig. 10 dargestellt. Man erkennt, daß die Fehlerbreite hier den Wert 0,015 R0 hat. lens according to FIG. 7, in which a curved arrangement of the antenna elements 24 is used. In addition, the shape of the parallel plate lens in Fig. 9 is comparatively inefficient, since it is more circular than the parallel plate lens shown in Fig. 7, because the extreme areas 27 of the feed openings 25 do not oppose the arc of the field openings 25, so that the effect of the lens 26 is reduced. The error (E) for this antenna system is shown in FIG. It can be seen that the error width here has the value 0.015 R 0 .

In Fig. 11 und 12 ist ein Antennensystem 10' dargestellt, das eine Parallelplattenlinse 26 beinhaltet, die in der oben beschriebenen Weise gestaltet ist und die längs eines mit 48 bezeichneten Bereiches ihres Urafanges Einspeisungsöffnungen und längs eines gegenüberliegenden mit 49 bezeichneten Bereiches ihres Umfanges Feldöffnungen 25 aufweist. Die Parallelplattenlinse 26 ist über Übertragungsleitungen 29 mit einem Parallelplattenabschnitt 50 verbunden. Die Übertragungsleitungen 29 sind als Koaxialkabel ausgebildet und verbinden die Feldöffnungen 25 der Parallelplattenlinse 26 mit dem Parallelplattenabschnitt 50 über herkömmliche Koaxialverbinder 51. Der Parallelplattenabschnitt 50 dient zur Begrenzung der Strahlung zwischen der Linse 12 und der Parallelplattenlinse 26 auf eine einzige zweidimensionale Ebene.An antenna system 10 'is shown in FIGS. 11 and 12, which includes a parallel plate lens 26 configured in the manner described above and extending along a with 48 designated area of their Urafang feed openings and has field openings 25 along an opposite region of its circumference designated by 49. The parallel plate lens 26 is connected to a parallel plate portion 50 via transmission lines 29. The transmission lines 29 are designed as coaxial cables and connect the field openings 25 of the Parallel plate lens 26 to parallel plate section 50 via conventional coaxial connectors 51. The parallel plate section 50 serves to limit the radiation between the lens 12 and the parallel plate lens 26 on a single two-dimensional plane.

Der Parallelplattenabschnitt 50 ist in Streifenleitertechnik ausgeführt. Er besitzt eine mittlere Leiteranordnung 53» die zwischen zwei mit Masse verbundenen Ebenen liegt. Die mittlere Leiteranordnung 53 ist in Fig.14 dargestellt. Sie ist auf einem geeigneten dielektrischen Substrat 57 durch geeignetes Ätzen eines Kupferüberzuges ausgebildet, wobei herkömmliche photolithographische und chemische Ätzverfahren verwendet werden können. Die an dem Parallelplattenabschnitt 50 angebrachten Koaxialverbinder 51 sind mit Übertragungs-Streifenleitern 55 ver-The parallel plate section 50 is implemented using stripline technology. He has a middle conductor arrangement 53 »which lies between two planes connected to earth. The middle conductor arrangement 53 is shown in FIG shown. It is on a suitable dielectric substrate 57 by suitable etching of a copper coating using conventional photolithographic and chemical etching techniques. The on The coaxial connectors 51 attached to the parallel plate section 50 are provided with transmission strip conductors 55

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bunden, die in der dargestellten Weise an Antennenelementen 24 enden. Die Ubertragungs-Streifenleiter 55 besitzen gleiche Länge und dienen dazu, einen genügend großen Montageraum für die Koaxialverbinder 51 sicherzustellen. Wie aus Fig. 14 erkennbar, sind die Antennenelemente 24 längs eines Kreisbogenstückes mit dem Radius Rc angeordnet, wo- bound, which end at antenna elements 24 in the manner shown. The transmission strip conductors 55 have the same length and are used to ensure a sufficiently large installation space for the coaxial connector 51. As can be seen from Fig. 14 , the antenna elements 24 are arranged along a circular arc piece with the radius Rc , where-

2 2 2 ^2 2 2 ^

bei Rc = R1 + R. und R. = R, ist. Außerdem ist die Län ge der Antennenelementanordnung 24 im dargestellten Beispiel 2RQ. Die Antennenelemente 24 sind längs eines Teiles des Umfanges eines leitfähigen Bereiches 59 ausgebildet. An einem gegenüberliegenden Teil des leitfähigen Bereiches 59 sind Antennenelemente 14 ausgebildet. Letztere sind über Ubertragungs-Streifenleiter 63 mit Koaxialverbindern 61 verbunden. Die Ubertragungs-Streifenleiter 63 besitzen gleiche Länge und dienen dazu, einen genügend großen Montageraum für die Koaxialverbinder 61 sicherzustellen. when Rc = R 1 + R. and R. = R, is. In addition, the length of the antenna element arrangement 24 in the illustrated example is 2R Q. The antenna elements 24 are formed along part of the periphery of a conductive area 59. Antenna elements 14 are formed on an opposite part of the conductive area 59. The latter are connected to coaxial connectors 61 via transmission strip conductors 63. The transmission strip conductors 63 have the same length and serve to ensure a sufficiently large installation space for the coaxial connector 61.

Die Koaxialverbinder 61 sind in der dargestellten Weise mit Übertragungsleitungen 26 verbunden. Die Übertragungsleitungen 22 sind als Koaxialkabel ausgebildet, deren elektrische Länge in der oben in Verbindung mit Gleichung (7) beschriebenen Weise geeignet bemessen ist. Wie aus Fig. 13 hervorgeht, bilden die Enden der Koaxialkabel 22 die Antennenelemente 16. D.h., die Außenleiter der Koaxialkabel 22 sind elektrisch mit einem ersten leitfähigen Körper 64 verbunden, während die Innenleiter 60 mit einem zweiten leitfähigen Körper 62 in Verbindung stehen. Die leitfähigen Körper 62 und 64 bilden einen gerippten Hornstrahler für das Antennensystem. Es sei noch erwähnt, daß die Antennenelemente 16 in der oben anhand von Fig. 1 beschriebenen Weise längs eines Bogenstückes mit dem Radius R2 angeordnet sind.The coaxial connectors 61 are connected to transmission lines 26 as shown. The transmission lines 22 are formed as coaxial cables, the electrical length of which is suitably dimensioned in the manner described above in connection with equation (7). As can be seen from FIG. 13, the ends of the coaxial cables 22 form the antenna elements 16. That is, the outer conductors of the coaxial cables 22 are electrically connected to a first conductive body 64, while the inner conductors 60 are connected to a second conductive body 62. The conductive bodies 62 and 64 form a finned horn antenna for the antenna system. It should also be mentioned that the antenna elements 16 are arranged in the manner described above with reference to FIG. 1 along an arcuate section with the radius R 2 .

In Fig. 15a, 15b und 15c sind Antennendiagramme für das in Fig. 12 dargestellte Antennensystem dargestellt, wenn dieses bei Frequenzen von 8 GHz, 12 GHz bzw. 15 GHz überIn Fig. 15a, 15b and 15c antenna diagrams are shown for the antenna system shown in Fig. 12 when this is at frequencies of 8 GHz, 12 GHz and 15 GHz

030022/0797030022/0797

einen Gesamtabtastwinkel von + 90°, d.h. bei ÖQ von -60° bis + 60° arbeitet, wobei K = 1,5, R1ZR0 - 1,2, R^/Rq -1,2 und Ro/Rq β 1»5 ist. Der tatsächliche Wert von RQ wird in Abhängigkeit von der gewünschten Strahlbreite und den gewünschten Frequenzbändern gewählt. Für ein Betriebsband in der Größenordnung von 8 bis 15 GHz und eine Strahlbreite von 6° beträgt die Länge RQ (bei Luft als Dielektrikum) typisch 6,05 Zoll. Es ist bekannt, daß die Länge Rq entsprechend der Dielektrizitätskonstanten des verwendeten Dielektrikums, das ist im vorliegenden Fall die Dielektrizitätskonstante des Substrats 47 (Fig. 14), umgerechnet werden muß. Für die Linse 26 gilt im vorliegenden Fall F = RO/O,65; G= 1,10 F; ^1=+ 4O0. Die Linse 26 besitzt fünfunddreißig Feldöffnungen 25 und neunundzwanzig Einspeisungsöffnungen 28.a total scanning angle of + 90 °, ie works from -60 ° to + 60 ° at Ö Q , where K = 1.5, R 1 ZR 0 - 1.2, R ^ / Rq -1.2 and Ro / Rq β 1 »5 is. The actual value of R Q is chosen depending on the desired beam width and frequency bands. For an operating band on the order of 8 to 15 GHz and a beam width of 6 °, the length R Q (with air as the dielectric) is typically 6.05 inches. It is known that the length Rq must be converted in accordance with the dielectric constant of the dielectric used, that is in the present case the dielectric constant of the substrate 47 (FIG. 14). In the present case, F = R O / O.65 applies to the lens 26; G = 1.10 F; ^ 1 = + 4 O 0 . The lens 26 has thirty-five field openings 25 and twenty-nine feed openings 28.

Die Gestaltung der Linse 26 bestimmt sich nach den oben angegebenen Gleichungen (19), (20) und (22). Im folgenden sind die Positionen der fünfunddreißig Feldöffnungen 25 und die Längen der Koaxialkabel 29 wiedergegeben:The design of the lens 26 is determined by the equations (19), (20) and (22) given above. The following shows the positions of the thirty-five field openings 25 and the lengths of the coaxial cables 29:

Feldöffnungen X(ZoIl) -Y'(Zoll) V(ZoIl)Field openings X (inches) -Y '(inches) V (inches)

1, 35 + 6.416 4.051 2.0941, 35 + 6,416 4,051 2,094

2, 34 + 6.193 3.582 1.8372, 34 + 6,193 3,582 1,837

3, 33 + 5.939 3.140 1.5983, 33 + 5,939 3,140 1,598

4, 32 + 5.656 2.727 1.3794, 32 + 5,656 2,727 1,379

5, 31 + 5.346 2.346 1.1785, 31 + 5,346 2,346 1,178

6, 30 + 5.OI5 1.992 0.9946.30 + 5.OI5 1.992 0.994

7, 29 + 4.663 1.669 .829 7, 29 + 4,663 1,669,829

8, 28 + 4.292 1.376 .6798, 28 + 4,292 1,376,679

9, 27 + 3.905 1.114 .547 9, 27 + 3,905 1,114 .547

10, 26 + 3.505 0.880 .43110, 26 + 3.505 0.880 .431

11, 25 + 3.089 Ο.674 .32811, 25 + 3,089 Ο.674 .328

12, 24 + 2.669 0.496 .24012, 24 + 2,669, 0.496, 240

13, 23 + 2.235 0.342 .16513, 23 + 2.235 0.342 .165

14, 22 + 1.797 0.220 .10614, 22 + 1,797 0.220 .106

15, 21 + 1.354 0.125 .06115, 21 + 1.354 0.125 .061

030022/0797030022/0797

2020th X(ZoIl)X (ZoIl) titi W(ZoIl)W (ZoIl) 29467952946795 1919th + 0.912+ 0.912 -Y1(Zoll)-Y 1 (inch) .025.025 FeldöffnungenField openings + 0.455+ 0.455 0.0550.055 .006.006 16.16. .0.0 0.0130.013 .0.0 17.17th .0.0 18,18

Die neunundzwanzig Einspeisungsöffnungen 28 besitzen folgende Positionen:The twenty-nine feed openings 28 have the following positions:

EinspeisunKsöffnungen 28INfeed openings 28 2929 6(Grad)6 degrees Celsius) H (Zoll)H (inch) 1,1, 2828 + 40+ 40 9.3089,308 2,2, 2727 + 36.78 + 36.78 9.3839,383 3.3. 2626th + 33.67+ 33.67 9.4789,478 4,4, 2525th + 30.64+ 30.64 9.5809,580 5.5. 2424 + 27.68+ 27.68 9.6839,683 6.6th 2323 + 24,77+ 24.77 9.7829,782 7,7, 2222nd + 21.91+ 21.91 9.8739,873 8,8th, 2121st + 19.09+ 19.09 9.9579,957 9.9. 2020th + 16.30+ 16.30 10.03010,030 10.10. 1919th + 13.54+ 13.54 10.09310.093 11.11. 1818th + 10.80+ 10.80 10.14510.145 12.12th 1717th + 8.09+ 8.09 10.18610.186 13.13th 1616 + 5.39+ 5.39 10.21510,215 14.14th + 2.69+ 2.69 10.23310,233 1515th .0.0 10.23810,238

Alle Abmessungen gelten für Luft als Dielektrikum. Die tatsächlichen Linsenabmessungen und Kabellängen verringern sich in bekannter Weise im Verhältnis des Brechungsindex des verwendeten Materials.All dimensions apply to air as a dielectric. Reduce actual lens dimensions and cable lengths in a known manner in the ratio of the refractive index of the material used.

Die kreiförmige Linse 12 besitzt im vorliegenden Fall neunundsechzig Antennenelemente 14 (sowie neunundsechzig Antennenelemente 16) die in gleichen Abständen in einem Winkel von 180° angeordnet sind, wobei die an den Enden befindlichen Elemente die Winkellagen 0° bzw. 180° einnehmen. Die Winkelposition QQ der Elemente kann durch folgende Gleichung wiedergegeben werden:The circular lens 12 in the present case has sixty-nine antenna elements 14 (and sixty-nine antenna elements 16) which are arranged at equal intervals at an angle of 180 °, the elements at the ends occupying the angular positions 0 ° and 180 °. The angular position Q Q of the elements can be represented by the following equation:

030022/0797030022/0797

29A679529A6795

G0 - 90° - 2.6471° (n-1),G 0 - 90 ° - 2.6471 ° (n-1),

mit η - 1, + 2, + 3...+ 35f wie dies in Fig. 14 für die Antennenelemente 14 dargestellt ist. Die Antennenelemente 24 sind in regelmäßigen Abständen längs eines Bogenstücices mit dem Radius Rc angeordnet (Fig. 14). Ihr Abstand kann durch folgende Gleichung dargestellt werden: with η1, + 2, + 3... + 35f as shown in FIG. 14 for the antenna elements 14. The antenna elements 24 are arranged at regular intervals along an arcuate piece with the radius Rc (FIG. 14). Their distance can be represented by the following equation:

wobei m = 0, 1, 2...35 ist und> der Winkel zwischen der Y-Achse und dem zu dem m-ten Antennenelement 24führenden Radius R,- ist.where m = 0, 1, 2... 35 and> the angle between the Y-axis and the radius R, - leading to the m-th antenna element 24.

Die Erfindung ist selbstverständlich nicht auf das vorangehend beschriebene Ausführungsbeispiel beschränkt. So kann beispielsweise anstelle des beschriebenen zweidimensionalen Antennensystems, das einen fächerförmigen Strahl erzeugt, eine Vielzahl derartiger Systeme zur Bildung eines planaren Antennensystems kombiniert werden, das einen Strahl mit planarem Querschnitt erzeugt.The invention is of course not restricted to the exemplary embodiment described above. So can, for example, instead of the two-dimensional antenna system described, which uses a fan-shaped beam generated, a plurality of such systems can be combined to form a planar antenna system which has a beam generated with a planar cross-section.

030022/0797030022/0797

Claims (8)

PatentansprücheClaims 1. Hochfrequenzantenne,1. high frequency antenna, gekennzei chnet durch marked by - eine Einrichtung (11) mit gekrümmter Elementeanordnung, die eine Mehrzahl längs eines nichtlinearen Pfades (27) angeordneter Antennenelemente (24) zur Erzeugung eines gerichteten, keine Kollimation aufweisenden Ilochfrequenzstrahlenbündels beinhaltet,- a device (11) with a curved element arrangement which contains a plurality of antenna elements (24) arranged along a non-linear path (27) for generating a directed, non-collimation-having podular frequency beam, - sowie durch eine zwischen der Einrichtung (11)mit gekrümmter Feldanordnung und dem freien Raum (13) angeordnete Hochfrequenz-Linsenvorrichtung (12), mittels derer die Hochfrequenzenergie des gerichteten Strahlenbündels einer Kollimation unterworfen und im freien Raum ein parallelausgerichtetes Hochfrequenz-Strahlenbündel erzeugt wird.- As well as by one between the device (11) with a curved field arrangement and the free space (13) arranged high-frequency lens device (12), by means of which the high-frequency energy of the directed The bundle of rays is subjected to collimation and in free space a high-frequency bundle of rays aligned in parallel is produced. 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Einrichtung (11) mit gekrümmter Elementeanordnung eine zweite Hochfrequenzlinse (26) beinhaltet, die eine Mehrzahl von mit der genannten Mehrzahl von Antennenelementen (24) verbundenen Feldöffnungen (25) sowie eine mit diesen Feldöffnungen (25) verbundene Mehrzahl von Einspeisungsöffnungen (28) aufweist, wobei jede der genannten Einspeisungsöffnungen (28) jeweils einem der in den freien Raum (13) abzustrahlenden Hochfrequenz-Strahlenbündel zugeordnet ist.2. Antenna according to claim 1, characterized in that the device (11) with a curved element arrangement a second radio frequency lens (26) including a plurality of said plurality of antenna elements (24) connected field openings (25) as well as a plurality connected to these field openings (25) of feed openings (28), each of said feed openings (28) being one of the in the free space (13) to be emitted high-frequency beam is assigned. 3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die erstgenannte Hochfrequenz-Linsenvorrichtung (12) eine zweite Mehrzahl von Antennenelementen (14) beinhaltet, die längs eines Kreisbogenstückes mit vorgegebenem Radius (R^) angeordnet sind, sowie eine dritte Mehrzahl von Antennenelementen (16), die längs eines Kreisbogenstückes mit vorgegebenem größeren Radius (Rp) angeordnet sind, und daß jedes Antennenelement (14) der zweitgenannten Mehrzahl mit einem3. Antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the first-mentioned high-frequency lens device (12) includes a second plurality of antenna elements (14) extending along a circular arc segment are arranged with a given radius (R ^), as well as a third plurality of antenna elements (16) extending along a circular arc of a predetermined larger Radius (Rp) are arranged, and that each antenna element (14) of the second-mentioned majority with one 030022/07030022/07 ihm zugeordneten Antennenelement (16) der drittgenannten Mehrzahl von Antennenelementen (16) verbunden ist.associated antenna element (16) of the third-mentioned plurality of antenna elements (16) is connected. 4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mit den genannten Feldöffnungen (25) verbundene Mehrzahl von Antennenelementen (24) längs eines Kreisbogenstückes (27) mit vorgegebenem Radius (R5) angeordnet ist, wobei der Mittelpunkt des Kreisbogenstückes (27) einen vorgegebenen Abstand (R^) von dem Mittelpunkt des Kreisbogenstückes (18) mit dem erstgenannten vorbestimmten Radius (R1) besitzt und wobei das Quadrat des genannten Abstandes (R^) gleich der Summe der Quadrate der beiden genannten Radien (R.., Rc) ist.4. Antenna according to claim 3, characterized in that the plurality of antenna elements (24) connected to said field openings (25) is arranged along a circular arc piece (27) with a predetermined radius (R 5 ), the center of the circular arc piece (27) has a predetermined distance (R ^) from the center of the circular arc piece (18) with the first-mentioned predetermined radius (R 1 ) and where the square of said distance (R ^) is equal to the sum of the squares of the two mentioned radii (R .., Rc) is. 5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die nichtlinearen Pfade (18, 20) auf denen de Antennenelemente (14 bzw. 16) der genannten zweiten und dritten Mehrzahl angeordnet sind, linsenförmige Gestalt besitzen.5. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that the non-linear paths (18, 20) on which the antenna elements (14 or 16) of said second and third pluralities are arranged, have a lenticular shape. 6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zwischen der erstgenannten Mehrzahl von Antennenelementen (24) und dem freien Raum (13) angeordnete Hochfrequenz-Linsenvorrichtung (12), mittels derer die Hochfrequenzenergie der von den genannten Antennenelementen (24) erzeugten gerichteten, keine Kollimation aufweisenden Strahlenbündel, die einen zentralen Strahl beinhalten, der einen vorgegebenen Winkelabstand (Öq) zu einer Bezugsachse aufweist, einer Kollimation unterworfen werden, das betreffende Strahlenbündel mit einem Winkel (KQQ) ausrichten, der gegenüber dem vorgegebenen Winkel (©<-.) um einen konstanten von eins verschiedenen Faktor (K) vergrößert ist.6. Antenna according to claim 1, characterized in that the high-frequency lens device (12) arranged between the first-mentioned plurality of antenna elements (24) and the free space (13), by means of which the high-frequency energy generated by said antenna elements (24) is directed , bundles of rays which do not have collimation and which contain a central ray which is at a given angular distance (Öq) to a reference axis, are subjected to collimation, align the bundle of rays in question with an angle (KQ Q ) which is opposite the given angle (© <- .) is increased by a constant factor (K) different from one. 7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die elektrische Länge (P) der Verbindungen (22) zwischen den einzelnen Antennenelementen (14) der zweiten7. Antenna according to claim 6, characterized in that the electrical length (P) of the connections (22) between the individual antenna elements (14) of the second 0 3 Ü U 2~ / 0 7 90 3 Ü U 2 ~ / 0 7 9 und den Antennenelementen (16) der dritten Mehrzahl von Antennenelementen durch folgende Gleichung gegeben ist:and the antenna elements (16) of the third plurality of antenna elements is given by the following equation: = _2 [-ι _ cos (κθ·0 - θ·0)] = _2 [-ι _ cos (κθ · 0 - θ · 0 )] R PR. P. K-1K-1 wobei Θ'Ω der Winkelorientierung des betreffenden An tennenelementes (14) der zweiten Mehrzahl von Antennenelementen, K der genannten Konstanten und Rp dem Radius des Kreisbogenstückes entspricht, auf dem die zweite Mehrzahl von Antennenelementen (14) angeordnet ist. where Θ ' Ω the angular orientation of the relevant antenna element (14) of the second plurality of antenna elements, K of said constants and Rp corresponds to the radius of the circular arc on which the second plurality of antenna elements (14) is arranged. 8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Konstante (K) größer ist als eins.8. Antenna according to one of the preceding claims, characterized in that said constant (K) is greater than one. 0 3 C 0 2 2 / 0 7 Π 70 3 C 0 2 2/0 7 Π 7
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