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Diese Erfindung bezieht sich auf Schlitzgruppenantennen und insbesondere auf eine
zweiendige Resonanzschlitzgruppen-Speisung für eine ebene Hohlleiter-
Resonanzschlitzgruppenantenne.
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In der Vergangenheit sind Schlitzgruppenantennen mittels einendiger Speisemechanismen
gespeist worden. Wenn ein Hohlleiterabschnitt an einem Ende gespeist wird, baut ein
Hohlleiterkurzschluß am gegenüberliegenden Ende im Hohlleiter eine stehende Welle auf.
An geeigneten Punkten im Muster der stehenden Welle (Spannungs- bzw. Stromspitzen)
befinden sich Parallel- oder Serienschlitzelemente, die eine Strahlung mit der richtigen
Amplitude und der richtigen Phase erzeugen. In einem Frequenzband ändert sich das
Muster der stehenden Welle im Hohlleiter in bezug auf die Anordnung der Schlitze,
wodurch Fehler hinsichtlich der Schlitzamplituden und -phasen hervorgerufen werden. Die
Größe dieser Fehler nimmt in direkter Beziehung zur Abweichung der Frequenz von der
geplanten Mittenfrequenz zu. Die Größe der Fehler nimmt außerdem mit der Länge des
Hohlleiters und daher mit der Anzahl der Schlitze zu. Für Wellenleiter mit vier oder mehr
Schlitzen liegt die nutzbare Bandbreite einer einendigen Speisung in der Größenordnung
von + 1 Prozent.
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Um die Bandbreite für eine einendige Speisung zu verbessern, sind T-Speisungen in der
E-Ebene und in der H-Ebene verwendet worden. Die T-Speisung in der E-Ebene besteht im
wesentlichen in der Kopplung von zwei einendigen Speisungen an ihren jeweiligen
Speisungspunkten mittels eines Hohlleiter-T-Glieds in der E-Ebene; die Verbesserung wird
durch eine Verringerung der Länge (und der Anzahl der Schlitze) einer jeden der beiden
einendigen Speisungen bewirkt. Das Problem bei der Speisung in der E-Ebene besteht
darin, daß zur Aufrechterhaltung gleicher Schlitzabstände ein Schlitz direkt unter dem
T-Glied der E-Ebene liegen muß. Wegen der gegenseitigen Kopplung mit dem T-Glied der
E-Ebene erfährt dieser Schlitz eine Phasen- und Amplitudenschwankung in dem
Frequenzband, die sich von anderen Schlitzen in der Gruppe erheblich unterscheidet.
Dieser erheblich unterschiedliche Satz von Phasen-/Amplitudenfehlern für den Schlitz
unter der Speisung der E-Ebene gleicht die Bandbreitenvorteile, die andernfalls durch die
Verwendung des T-Glieds in der E-Ebene erhalten worden wären, weitestgehend aus.
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Wenn das (Serien-) T-Glied in der E-Ebene durch ein (Parallel-) T-Glied in der H-Ebene
ersetzt wird, kann der Speisungspunkt für den Schlitzhohlleiter anstatt direkt über den
Schlitzen in der Mitte zwischen zwei Schlitzen angeordnet werden. Da die Speisung der
H-Ebene die Breite von ungefähr einer halben Wellenlänge besitzen muß (um Hohlleiter-
Kappungswirkungen zu vermeiden), koppelt jedoch die Speisung mit den beiden Schlitzen,
woraus sich im wesentlichen dieselben Bandbreiten-Einschränkungen wie bei der Speisung
der E-Ebene ergeben.
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Für eine große Gruppenantenne ist die Bandbreite typischerweise auf weniger als 2,5%
begrenzt gewesen, wenn eines der obigen Verfahren verwendet wurde, weil die
Komplexität der Verzweigungsvorrichtung in vernünftigen Grenzen gehalten werden
mußte. Bei + 1% der Mittenfrequenz beginnen sowohl die Amplitude als auch die Phase
der Aperturflächenausleuchtung sich erheblich zu verschlechtern. Die einendige Speisung
für eine resonante Hohlleiter-Gruppe ist in einer Reihe von Texten über Antennen
beschrieben. Für eine genauere Information bezüglich einendiger Speisungen kann auf
Johnson und Jasik's "Antenna Engineering Handbook", Zweite Ausgabe, 1984 und 1961,
Kapitel 9, Bezug genommen werden.
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In der US-A-2 981 948, Kurtz, sind in Phase befindliche Gruppenschlitzantennen für
simultane Strahlschwenkung offenbart, die entlang einem Hohlleiter, der durch Summen- und
Differenzsignale an unterschiedlichen Orten entlang dem Leiter angesteuert wird,
wenigstens eine Reihe von Schlitzen besitzen. Es sind metallische Grenzflächen
vorgesehen, die Schlitze entlang demselben Hohlleiter voneinander trennen, wobei der
Hohlleiter an zwei Orten angesteuert wird, um getrennte Gruppenelemente zu bilden.
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In der US-A-3 293 647, Crumpen, sind Schlitzantennen entlang Hohlleitern mit nicht in
Resonanz befindlichen Speisungen an beiden Enden offenbart, um zwei entgegengesetzt
geneigte Strahlen zu erzeugen.
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In der JP-A-59 32205, Nippon Hoso Kyokai, veröffentlicht in Patent Abstracts of Japan,
Band 8, Nr. 119, (E-248) (1556), ist eine Gruppenantenne offenbart, die in einem flachen,
scheibenförmigen Hohlleiter Schlitze in konzentrischen Ringen besitzt. Die Schlitze
werden vom Umfang der Scheibe aus angesteuert, wobei im Mittelpunkt der Scheibe ein
Abschlußwiderstand vorgesehen ist.
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Es ist daher eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Schlitzgruppenantenne zu
schaffen, die eine wesentlich erhöhte Frequenzbandbreite besitzt.
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Es ist eine weitere Aufgabe der Erfindung, eine Speisung zu schaffen, um die
Bandbreitenleistung der Schlitzgruppe gegenüber derjenigen, die bei Verwendung einer
einendigen Speisung erhalten wird, wesentlich zu verbessern. Eine weitere Aufgabe der
Erfindung besteht darin, die Amplituden- und Phasengenauigkeit der
Aperturflächenausleuchtung der Schlitzgruppenantenne wesentlich zu verbessern.
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Gemäß der vorliegenden Erfindung wird eine Hohlleiter-Schlitzantenne zum Senden und
Empfangen von HF-Energie geschaffen, die versehen ist mit einem geraden
hindernisfreien Rechteckhohlleiter, der in einer Fläche Schlitze hat und an beiden Enden
jeweils mit einem Rechteck-Speisehohlleiter verbunden ist, der im rechten Winkel zu dem
mit den Schlitzen versehenen Hohlleiter angeordnet ist, so daß HF-Energie an beiden
Enden des mit den Schlitzen versehenen Hohlleiters zugeführt oder abgeführt werden
kann, dadurch gekennzeichnet, daß im Betrieb gleiche Mengen von HF-Energie
gleichzeitig und gleichphasig an den Enden des mit den Schlitzen versehenen Hohlleiters
erscheinen, daß die Schlitze in Abständen von der Hälfte der Wellenlänge im Hohlleiter
liegen, so daß der mit den Schlitzen versehene Hohlleiter in Resonanz ist, daß ein
Rechteckhohlleiterabschnitt, der die gleiche Länge wie der mit den Schlitzen versehene
Hohlleiter hat, parallel zu dem mit den Schlitzen versehenen Hohlleiter an einer zweiten
Fläche angeordnet ist, die von der mit den Schlitzen versehenen ersten Fläche entfernt
liegt, daß der Hohlleiterabschnitt an seinen Enden jeweils mit den Speisehohlleitern
verbunden ist, so daß eine Schleife von einer ganzzahligen Anzahl von Wellenlängen der
HF-Energie bei der Betriebsfrequenz in der Hohlleiterantenne gebildet wird, und daß ein
Eingangs/Ausgangs-Hohlleiter durch eine T-Verzweigung mit der Mitte des
Hohlleiterabschnitts gekoppelt ist.
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Weitere Aufgaben und Merkmale der Erfindung gehen besser aus der folgenden
detaillierten Beschreibung hervor, wenn diese in Verbindung mit den begleitenden
Zeichnungen gelesen wird, wovon:
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die Fig. 1 eine Explosionsansicht einer Schlitzantennen-Gruppe ist;
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die Fig. 2a und 2b herkömmliche Ausführungen von Hohlleiter-Schlitzantennen sind;
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die Fig. 3a und 3b Ansichten einer zweiendigen Serienschlitzspeisung sind, die eine
T-Speisung in der E-Ebene bzw. eine T-Speisung in der H-Ebene gemäß der vorliegenden
Erfindung verwendet;
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die Fig. 4a und 4b eine Seitenansicht des Hohlleiterknies in der E-Ebene bzw. eine
Draufsicht der abgestimmten T-Verzweigung in der H-Ebene sind;
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die Fig. 5a und 5b Diagramme der Strahlungsstrom-Amplitudenverteilung eines die
Erfindung benutzenden 8-Schlitz-Hohlleiterabschnittes bzw. der Strahlungsstrom-
Phasenverteilung eines die Erfindung benutzenden 8-Schlitz-Hohlleiterabschnittes sind;
und
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die Fig. 6a und 6b Diagramme der gemessenen Schlitz-Ausgangsspannungsamplitude bzw.
der Schlitz-Ausgangsspannungsphase (Grad) sind, die mit dem Schlitz 3 einer 5-Schlitz-
Gruppe verglichen werden;
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die Fig. 7 eine Ansicht ist, die die Kombination von zwei zweiendigen
Serienschlitzspeisungen zeigt.
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In Fig. 1 umfaßt eine ebene Schlitzgruppenantenne 10 einen Polarisator 12, eine in
Längsrichtung mit parallelen Schlitzen versehene Platte 14, eine drehbare
Serienschlitzplatte 16 und eine Verzweigungsvorrichtung 18. Der Serienhohlleiter erregt
eine Reihe von Serienschlitzen 17, die die HF-Leistung in die Parallelhohlleiter
einkoppeln. (Die Serienhohlleiter sind in dieser Figur nicht sichtbar, da sie sich an der
Rückseite von 16 befinden.) Der Parallelhohlleiter erregt die Parallelschlitze, die die
Strahlungselemente darstellen. Sämtliche Schlitze sind um eine halbe Hohlleiter-
Wellenlänge (λg/²) von benachbarten Schlitzen beabstandet, die vom selben Leiter gespeist
werden.
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In Fig. 2a ist eine Form eines herkömmlichen Hohlleiter-Speisungssytems für
Serienschlitze gezeigt. Jeder der Serienschlitzhohlleiter 24 wird an einem Ende durch eine
Speisungs-Verzweigungsvorrichtung 18 gespeist. Eine Hohlleiter-Kurzschlußwand 23 am
gegenüberliegenden Ende des Hohlleiters baut die für die richtige Erregung der
Serienschlitze erforderliche stehende Welle auf. In bestimmten Anwendungen können
variable Phasenschieber 22 hinzugefügt werden, um die Strahlungscharakteristik der
Antenne elektronisch abzutasten.
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In einer weiteren Form des Standes der Technik werden die Serienschlitze wie in Fig. 2b
gezeigt gespeist. Hier teilt ein Hohlleiter-T-Glied in der E-Ebene 100 die HF-Energie
zwischen zwei Serienschlitzhohlleitern 102 und 104 über T-Glieder 114 und 1 16 in der
E-Ebene auf. Hohlleiterkurzschlüsse 106 an den äußeren Enden der Hohlleiter 102 und 104
bauen geeignete stehende Wellen auf, so daß die Serienschlitze 108, 110, 112 usw. die
Energie an die Stirnfläche der Antenne koppeln. Für eine geeignete stehende Welle muß
sich der Hohlleiterkurzschluß 106 in einem Abstand einer halben Wellenlänge vom
Endschlitz des Hohlleiters befinden, wie gezeigt.
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An den gegenüberliegenden Enden der beiden Hohlleiter 102 und 104 sind ähnliche λg/²
Hohlleiterkurzschlüsse erforderlich, es steht jedoch für jeden dieser Kurzschlüsse nur ein
Zwischenraum einer Viertelwellenlänge zur Verfügung (da durch das Gitter der Gruppe
ein konstanter Serienschlitz-Abstand von λg/² auferlegt ist). λg ist die Wellenlänge im
Hohlleiter bei der Betriebsfrequenz. Daher haben herkömmliche Antennen einen gefalteten
Hohlleiterkurzschluß 118 verwendet, bei dem ein 180º-Knie in der E-Ebene dazu
verwendet wird, den erforderlichen Abstand λg/2 zwischen der Kurzschlußwand und dem
letzten Schlitz zu gewinnen. Derart gefaltete Kurzschlüsse stellen lediglich eine
Annäherung an einen wirklichen Hohlleiterkurzschluß dar; gefaltete Kurzschlüsse
begrenzen die Frequenz-Bandbreite der Gruppe und führen zahlreiche Herstellungs- und
Montageprobleme für die Antenne ein.
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Die Schlitze 110 und 112, die sich direkt unter den T-Gliedern 114 bzw. 116 der E-Ebene
befinden, zeigen direkte Kopplungswirkungen mit dem T-Glied, woraus sich für diese
Schlitze Phasen- und Amplitudenfehler ergeben. Diese Schlitze werden daher zu einem
weiteren Bandbreiten-Begrenzungselement in der Antenne.
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Wie in den Fig. 3a und 3b gezeigt, enthält eine zweiendige Serienschlitzspeisung 26 eine
T-Verzweigung, die entweder eine T-Verzweigung 28 in der E-Ebene (Fig. 3a) oder eine
T-Verzweigung 30 in der H-Ebene (Fig. 3b) sein kann, zwei Hohlleiterabschnitte 32 und
34 und zwei Hohlleiterknie 36 und 38 in der E-Ebene. Die beiden Hohlleiterabschnitte 32
und 34 und die Knie in der E-Ebene sind durch ein Septum 40 gebildet. Das Septum 40 ist
quer durch den Hohlleiter 42 angeordnet, um sämtliche (n) Schlitze 44 von der
T-Verzweigung zu trennen. Die beiden Hohlleiterknie 36 und 38 in der E-Ebene sind durch
den Zwischenraum zwischen den Enden 46 und 48 des Septums 40 und durch die Enden
des Hohlleiters 42 gebildet, wobei dieser Zwischenraum die beiden Hohlleiterabschnitte 32
und 34 miteinander verbindet. Die Dicke des Septums 40 ist viel geringer als die
Wellenlänge, um die Antennendicke zu minimieren. Die Gesamtlänge der
Hohlleiterschleife ist angenähert gleich nλg, wobei n gleich der Anzahl der Schlitze ist.
Die Reihenwiderstände der Schlitze 44 sind so gewählt, daß sie eine Impedanz besitzen,
die an den Eingangshohlleiter 50 angepaßt ist.
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Aus der vorangehenden Beschreibung wird deutlich, daß eine typische Konstruktion der
zweiendigen Schlitzgruppenspeisung auf den folgenden Regeln basiert:
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1. Das T-Glied in der H-Ebene oder in der E-Ebene ist von den Schlitzen durch ein
Septum getrennt. Das T-Glied der E-Ebene (Fig. 3a) befindet sich an der Oberseite einer
Reihe von Schlitzen, während sich das T-Glied in der H-Ebene in der Mitte von zwei
Serienschlitzen befindet (Fig. 3b).
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2. Die Summe der normalisierten Resonanz-Schlitzwiderstände sämtlicher n
Serienschlitze in einer Einheit beträgt 2.
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3. Die Hohlleiter-Schleifenlänge ist angenähert gleich nλg.
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4. Zwischen zwei Gruppen mit n&sub1; bzw. n&sub2; Serienschlitzen, wobei n&sub1; > n&sub2; ist, muß
eine Hohlleiterlänge, die gleich (n&sub1; - n&sub2;)λg/2 ist, mit dem T-Verzweigungseingang der
Gruppe mit n&sub2; Schlitzen verbunden sein.
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5. Die T-Verzweigungen in der H-Ebene oder in der E-Ebene dürfen nicht um mehr
als ± 0,01% λg versetzt sein.
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Die verbesserte Leistung der zweiendigen Speisung wird durch eine theoretische Analyse
eines Hohlleiters mit 8 Serienschlitzen bei Verwendung einer idealen T-Verzweigung in
der H-Ebene und idealen Hohlleiterknien in der E-Ebene demonstriert. Die Schlitze sind
miteinander identisch, wobei ihre normalisierten Widerstände gleich 0,25 sind. Die
Strahlungsstrom-Verteilung, die mit dem idealen Strom verglichen wird, ist in den Fig. 5a
und 5b gezeigt und für einen Versatz von ± 1,8% von der Mittenfrequenz berechnet. Der
Satz von symmetrischen Kurven ist für die in der Mitte befindliche T-Verzweigung
berechnet, während die asymmetrischen Ergebnisse für die T-Verzweigung in einem
Abstand einer halben Leiterwellenlänge von der Mitte berechnet sind. Es ist festzustellen,
daß die Schwankungen der Strahlungsstrom-Amplitude und -phase für die symmetrische
Speisung über einer 3,6%-Bandbreite lediglich 0,16 dB bzw. 9,5 Grad betragen. Diese
Schwankungen der Strahlungsstromverteilung steigen auf 0,44 dB bzw. auf 13 Grad an,
wenn die T-Verzweigung einen Versatz um λg/2 erfährt.
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Ein Vergleich der theoretischen Leistungen der einendigen und der zweiendigen Speisung
für die 8-Schlitz-Gruppe ist in Tabelle 1 gezeigt. Die Ergebnisse sind für eine
3,6%-Bandbreite
berechnet. Offensichtlich schafft die zweiendige Speisung gegenüber der
einendigen Speisung eine Verbesserung der Bandbreitenleistung.
TABELLE 1 Vergleich einer einendigen und einer zweiendigen Serienschlitzspeisung, der
Strahlungsstromschwankungen und des Eingangs-VSWR für einen 8-Schlitz-Abschnitt
innerhalb einer 3,6%-Bandbreite.
Einendige Speisung Zweiendige Speisung mittig um λg/2 versetzt Amplitude Phase (Grad) Eingangs-VSWR
BEISPIEL
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Es ist eine zweiendige Serienschlitzspeisung unter Verwendung des Hohlleiterknies in der
E-Ebene von Fig. 4a und der T-Verzweigung der H-Ebene von Fig. 4b hergestellt
worden. Es ist ein 16,5 GHz-Mittenfrequenz-Hohlleiterabschnitt mit 5 ungleichen
Schlitzen verwendet worden. Die Abmessungen des Hohlleiters 42 (Fig. 4a) waren 0,496''
auf 0,155'' (1 Zoll = 2.54 cm). Für das Hohlleiterknie in der E-Ebene hat die Dicke (t)
des Septums 40 0,032'' betragen, während der Zwischenraum "W" 0, 177" betragen hat.
Für die T-Verzweigung in der H-Ebene (Fig. 4b) betrug die Breite des Eingangs 50
0,496'', wobei eine Abstimmstichleitung 52 vorgesehen war, die eine Höhe von 0,025''
und einen Durchmesser von 0,138'' besaß, der sich 0,637'' vom Ende des
Hohlleiterabschnitts 32 befindet. Der Hohlleiterabschnitt 32 besitzt eine Breite von 0,496''
und einen T-förmigen Abgleichschieber 54, der in bezug auf den Eingang 50 zentriert ist.
Das T besitzt eine Länge von 0,222'' und eine Dicke von 0,030''. Prüfungen haben
gezeigt, daß das VSWR des Hohlleiterknies in der E-Ebene in einer 6%-Bandbreite
weniger als 1,10 beträgt und daß das Eingangs-VSWR der T-Verzweigung in der H-Ebene
in derselben Bandbreite weniger als 1,18 beträgt.
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Die gemessene Ausgangsspannungsamplitude und die gemessene Ausgangsspannungsphase
sind in den Fig. 6a bzw. 6b gezeigt. Die Schlitz-Ausgangsspannungen sind bei einem Satz
von identischen Hohlleitern gemessen worden, bei denen die HF-Leistung über die
Serienschlitze eingekoppelt wird.
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Aus Fig. 6a geht hervor, daß die gemessenen Spannungsamplituden über eine große
Bandbreite konsistent gleichmäßig verteilt sind. Die Länge des Schlitzes 2 ist (aufgrund
von Herstellungsfehlern) etwas zu kurz, so daß die Amplitude bei niedriger Frequenz
abfällt. Die Phasendarstellung (Fig. 6b) ist durch Normalisierung auf die Phase des
Schlitzes 3, d. h. die Phase des Schlitzes 3 = 0, erhalten worden. Sämtliche dieser Phasen
mit Ausnahme des ersten Schlitzes haben einen sehr guten Verlauf. Die größte
Abweichung (bei 16,0 GHz) über eine 6%-Bandbreite beträgt jedoch lediglich 17 Grad.
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Zwei zweiendige Schlitzgruppenspeisungen 42 (Fig. 7) mit einer jeweils anderen Anzahl
von Schlitzen 44 in ihren Gruppen mit n&sub1; bzw. n&sub2; Schlitzen (wobei n&sub1; > n&sub2; können mit
ihren T-Verzweigungen 50 mit den Hohlleiterabschnitten 56 und 58 verbunden sein. Die
Hohlleiterabschnitte 56 und 58 sind mit einem Leistungsteiler 60 der
Verzweigungsvorrichtung 18 verbunden. Zwischen den beiden Gruppen mit n&sub1; bzw. n&sub2;
Serienschlitzen, wobei n&sub1; > n&sub2; ist, muß eine Hohlleiterlänge, die gleich (n&sub1; - n&sub2;)λg/2 ist,
mit dem T-Verzweigungseingang der Gruppe mit n&sub2; Schlitzen verbunden sein.
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Obwohl nur eine einzige Ausführungsform der Erfindung beschrieben worden ist, ist es
für den Fachmann offensichtlich, daß verschiedene Abwandlungen der Einzelheiten der
gezeigten und beschriebenen Konstruktion vorgenommen werden können, ohne den
Rahmen dieser Erfindung zu verlassen. Zwar war beispielsweise der größte Teil der
Beschreibung auf die Speisung der Serienschlitzelemente in der breiten Wand eines
Rechteckhohlleiters gerichtet, das Verfahren ist aber gleichermaßen sowohl auf
Parallelals auch auf Serienschlitze in Hohlleitern mit beliebigem Querschnitt anwendbar.
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Außerdem ist es für den Fachmann selbstverständlich, daß diese Antenne reziprok arbeiten
kann und unabhängig davon, ob sie sendet oder empfängt, die gleichen Charakteristiken
besitzt, trotz der Tatsache, daß die Antenne oben hauptsächlich als Sendeantenne
beschrieben worden ist.