DE3926187A1 - Schlitzstrahler - Google Patents

Description

Für die vorliegende Anmeldung wird die Priorität der ja­ panischen Patentanmeldung 63-197321 vom 8. 8. 1988 in Anspruch genommen.

Die Erfindung betrifft einen Schlitzstrahler bzw. eine Schlitz-Array-Antenne mit einem rechteckförmigen Wellen­ leiter, insbesondere einen Schlitzstrahler für Kommuni­ kation, Rundfunkübertragung und dergleichen mehr.

In Fig. 17 ist ein herkömmlicher Schlitzstrahler ge­ zeigt, der einen kreisrunden Wellenleiter aufweist, wo­ bei die elektromagnetische Welle in einem Raum S′ des Wellenleiters im TEM-Koaxial-Modus fortgepflanzt wird, der an Hand der zylindrischen Koordinaten in Fig. 18 dargestellt ist. In Fig. 18 ist mit dem Buchstaben e die Richtung des elektrischen Feldes und mit dem Buch­ staben h die Richtung des magnetischen Feldes gekenn­ zeichnet. Da sich die Welle koaxial über einer zentralen Speisungsöffnung 4′ fortpflanzt, sind die Abstrahlungs­ schlitze 1 a′ koaxial oder spiralförmig in einer Metall­ platte 1′ angeordnet.

Eine solche Kreisantenne eignet sich für kreisförmig po­ larisierte Wellen. Probleme entstehen allerdings, wenn diese Antenne bzw. dieser Strahler für die Abstrahlung der linearen Polarisation verwendet wird, weil nämlich die Nebenkeule groß wird und sich der Antennengewinn im Vergleich zur kreisförmig polarisierten Welle verringert.

Damit liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, einen Schlitzstrahler mit einem rechteckförmigen Wellenleiter derart auszubilden, daß dieser nicht nur kreisförmig po­ larisierte Wellen, sondern die lineare Polarisation bei hoher Leistungsfähigkeit abstrahlen kann.

Diese Aufgabe wird bei einem Schlitzstrahler nach dem Oberbegriff von Anspruch 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Dazu weist der erfindungsgemäße Schlitzstrahler bzw. die Schlitzantenne einen rechteckförmigen Wellenleiter mit einer rechteckigen Querschnittsform und einer Energie­ speisungsöffnung und eine an dieser Öffnung mit dem rechteckförmigen Wellenleiter verbundene Energiespei­ sungseinrichtung auf, wobei der rechteckförmige Wellen­ leiter mit einer Vielzahl von Wellen-Abstrahlungs­ schlitzen versehen ist, die in einer der metallischen Platten ausgebildet sind, die die langen Seiten der im Querschnitt rechteckigen Form bilden.

Erfindungsgemäß ist die Breite des rechteckförmigen Wellenleiters viermal so groß wie die Wellenlänge in dem Raum oder größer. Die Höhe des rechteckförmigen Wellenleiters beträgt ein Viertel der Wellenlänge oder mehr, und das Verhältnis der Breite zur Höhe des recht­ eckförmigen Wellenleiters beträgt 10 : 1 oder mehr.

Nach einem Gesichtspunkt der Erfindung weist der recht­ eckförmige Wellenleiter einen Schlußwiderstand an einer Endplatte auf, die der Energiespeisungsöffnung gegen­ überliegend angeordnet ist. Die Energiespeisungsein­ richtung weist einen Speisungs-Wellenleiter auf, der mit einer Vielzahl von Speisungsöffnungen versehen ist, die zur Energie-Dispersion mit dem Raum kommunizieren und den rechteckförmigen Wellenleiter mit Energie spei­ sen.

Nach einem weiteren Gesichtspunkt der Erfindung ist der Speisungs-Wellenleiter seitlich an dem rechteckförmigen Wellenleiter angebracht.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Aus­ führungsformen der Erfindung an Hand der Zeichnungen. Es zeigt:

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines erfin­ dungsgemäßen Schlitzstrahlers bzw. einer Schlitzantenne;

Fig. 2a bis 2d verschiedene Anordnungen der Schlitze zur Abstrahlung der elektrischen Energie der Antenne;

Fig. 3 eine graphische Darstellung der Energiedichte­ verteilung in einem Raum der Antenne;

Fig. 4a und 4b jeweils eine Darstellung der Abstrah­ lungsrichtung der Antenne;

Fig. 5 eine perspektivische Darstellung einer ersten Abwandlung der Antenne von Fig. 1;

Fig. 6 eine graphische Darstellung der Energiedichte­ verteilung der ersten Abwandlung;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer zwei­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8a eine perspektivische Darstellung einer drit­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8b eine perspektivische Darstellung einer vier­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 8c eine perspektivische Darstellung einer fünf­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 9a eine Vorderansicht einer Energiespeisungs­ einrichtung für eine zweite Abwandlung der ersten Ausführungsform;

Fig. 9b eine Vorderansicht einer Energiespeisungs­ einrichtung für eine dritte Abwandlung;

Fig. 9c eine perspektivische Darstellung der Energie­ speisungseinrichtung;

Fig. 10a eine perspektivische Darstellung eines Schlitz­ strahlers bzw. einer Antenne, die mit der Energiespeisungseinrichtung gemäß Fig. 9a ausgestattet ist;

Fig. 10b eine perspektivische Darstellung einer mit der Energiespeisungseinrichtung gemäß Fig. 9b ausgestatteten Antenne;

Fig. 11 eine perspektivische Darstellung einer sech­ sten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 12a und 12b jeweils eine Darstellung der Richtwirkung der Antenne nach der sechsten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 13 eine perspektivische Darstellung einer sieb­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine perspektivische Darstellung einer ach­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 15 eine perspektivische Darstellung einer neun­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 16 eine perspektivische Darstellung einer zehn­ ten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 17 eine perspektivische Schnittansicht eines herkömmlichen runden bzw. kreisförmigen Schlitzes des koaxialen Kabeltyps;

Fig. 18 ein Diagramm zur Erläuterung der Wellenfort­ pflanzung einer herkömmlichen Schlitzantenne - an Hand zylindrischer Koordinaten darge­ stellt.

Die in Fig. 1 dargestellte Schlitz-Reihen-Antenne (Schlitz-Array-Antenne) - Schlitzstrahler - gemäß einer ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung weist einen rechteckförmigen Wellenleiter G mit einer an seiner Einlaßseite ausgebildeten Energiespeisungsöffnung 4 und einen an der Öffnung 4 mit dem rechteckförmigen Wellenleiter G verbundenen Wellenleiter 6 auf. Der rechteckförmige Wellenleiter G zeigt einander gegenüberliegende rechteckförmige me­ tallische Platten 1 und 2 sowie Seitenplatten 3 aus Me­ tall, die zur Bildung eines rechteckförmigen Wellen­ leiterraums S mit rechteckiger Querschnittsform an den drei Seiten jeder Platte 1 (2) befestigt sind. Die Breite W des rechteckförmigen Wellenleiters ist viermal so groß wie die Wellenlänge λ g (λ g ist die Wellenlänge in dem Wellenleiter) in dem Raum S (4λg) oder größer, und die Länge λ e beträgt 4λ g oder mehr. Die Höhe d entspricht einem Viertel der Wellenlänge λg (λg/4) oder mehr. Das Verhältnis der Breite W zur Höhe d beträgt 10 : 1 oder mehr. Die metallische Platte 1 besitzt eine Vielzahl von Schlitzen 1 a zur Abstrahlung der elektrischen Energie, die in Matrixform angeordnet sind. Jeder Schlitz 1 a ist senkrecht zur Achse des Wellenleiters G angeordnet. An der Innenseite der Endseitenplatte 3 des rechteck­ förmigen Wellenleiters G ist ein Widerstandsbelag 7 vorgesehen. Ein Dispersions-Speisungswellenleiter 6, der eine Vielzahl von Speisungsöffnungen 5 a in einer metallischen Platte 5 aufweist, ist als Energiespei­ sungseinrichtung seitlich -4- an dem rechteckförmigen Wel­ lenleiter G befestigt. Die Einstreuung der Energie er­ folgt durch die Öffnungen 5 a, und die Speisung der Ener­ gie erfolgt aus den Öffnungen 5 a zu dem Raum S. Folg­ lich breitet sich die elektrische Energie in dem Wellenleiter G aus, wobei die Phasenfronten eine Ebene darstellen. Dadurch wird die Energie in Form einer ebe­ nen Welle in den rechteckförmigen Wellenleiter G ge­ speist. Die Energie gleicher Phase strahlt von den Schlitzen 1 a ab. Die restliche Energie in dem rechteck­ förmigen Wellenleiter G wird im Abschlußwiderstand 7 absorbiert, wodurch der Einfluß reflektierter Energie verhindert wird.

Die Fig. 2a bis 2d zeigen verschiedene Anordnungen der Schlitze 1 a. Die Schlitze von Fig. 2a sind im Ab­ stand P 1 von λ/4 und im Abstand P 2 von λ g angeordnet. Die Richtung eines Schlitzes erstreckt sich senkrecht zu jener des benachbarten Schlitzes. Das resultierende elektrische Feld der von einem Schlitzpaar abgestrahl­ ten Welle wird zu einer kreisförmig polarisierten Welle.

Die anderen Schlitzstrahler, die in den Fig. 2b bis 2d gezeigt sind, strahlen lineare Polarisationen ab. Da die Schlitze jeweils zehnerweise in jeder Spalte und Reihe angeordnet sind, wird der Gewinn erhöht und die Richtwirkung verschärft. Wenn zum Beispiel die Breite W 50 cm, die Länge λ e 50 cm und die Höhe d 0,8 cm beträgt, so ist der Gewinn etwa 34,8 dBi bei 12 HGz.

Bei der oben beschriebenen Schlitzanordnung strahlt das Bündel in vertikaler Richtung auf die metallische Plat­ te 1. Wenn der Abstand zwischen den Schlitzen 1 a von λ g in Abweichung gebracht bzw. geändert wird, so neigt sich die Richtung des Strahlenbündels, wie das nachfolgend im Zusammenhang mit den Fig. 4a und 4b erläutert wird.

Fig. 3 zeigt eine Energiedichteverteilung in dem Raum S des Wellenleiters G gemäß der ersten Ausführungsform. Die Energiedichte reduziert sich in Richtung auf den Schlußwiderstand 7 wegen der Energieabstrahlung von den Schlitzen 1 a. Folglich ist die Energieverteilung un­ regelmäßig, so daß sich der Antennengewinn verringert.

Eine in Fig. 5 gezeigte erste Abwandlung gilt der gleich­ mäßigen bzw. gleichförmigen Energieabstrahlung. Der Ab­ stand d verringert sich in Richtung auf den Schlußwider­ stand 7 in einer Linie oder in einer Kurve. Dadurch wird die Energie, wie Fig. 6 zeigt, im wesentlichen gleich­ mäßig bzw. gleichförmig verteilt und dadurch der Anten­ nengewinn erhöht.

Da der Bereich der zur Richtung des elektrischen Fel­ des senkrechten Platte 1 im Vergleich zur Wellenlänge λ im freien Raum ausreichend groß ist, wird die Wellenlän­ ge λ g im wesentlichen gleich der Wellenlänge λ, was wegen des großen Gitterzipfels eine Verringerung des Gewinns verursacht. Wenn jedoch die Länge jedes Schlit­ zes 1 a unter der Resonanzlänge festgelegt wird, so daß die Reaktanz des Schlitzes negativ werden kann, so wird die Phase der sich ausbreitenden Energie durch den Schlitz verzögert.

Demzufolge wird das Intervall zwischen den Schlitzen auf einen Wert zwischen 0,95 λ und 0,98 λ festgesetzt, um die Energie gleicher Phase abzustrahlen, wodurch es mög­ lich ist, die Entstehung des Gitterzipfels ohne die An­ ordnung einer Verzögerungseinrichtung zu unterdrücken.

Wenn die Wellen-Verzögerungseinrichtung in dem Raum S des Wellenleiters G vorgesehen ist, dann wird die Pha­ senkonstante der sich ausbreitenden Energie unterdrückt und damit die Wellenlänge λ g noch weiter reduziert. Des­ halb wird die Schlitzdichte erhöht und dadurch die Wirk­ samkeit der Antenne verbessert.

In Fig. 7 ist eine zweite bevorzugte Ausführungsform dargestellt. Hier hat die Antenne einen T-förmigen Spei­ sungswellenleiter 6, der zusammen mit der metallischen Platte 5 einen rechten Winkel bildet. Ein Reflektor­ element 10 ist als gegengleiches Element an der Platte 5 vorgesehen und dient zur Verteilung der Energie. Was die restlichen Funktionen und Wirkungen dieser Ausfüh­ rungsform anbelangt, so entsprechen sie jenen der ersten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung.

Bei der in Fig. 8a gezeigten Ausführungsform sind ein Paar Horn-Wellenleiter 9 als Energiespeisungseinrichtung und ein T-förmiger Speisungswellenleiter 6 vorgesehen. Die anderen Teile und Elemente sind dieselben wie bei der ersten Ausführungsform. Die erste Abwandlung ge­ mäß Fig. 5 kann auf die Antenne bzw. den Strahler der dritten Ausführungsform angewendet werden.

Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 8b besitzt der Wel­ lenleiter G einen Horn-Wellenleiter 9, der in der Mitte eine Unterteilung 11 aufweist. Funktionsweise und Vorteile dieser Ausführungsform sind dieselben wie bei der zweiten Ausführungsform.

Bei der fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfin­ dung, die in Fig. 8c dargestellt ist, weist der sich verzweigende Speisungswellenleiter 6 mehrere bzw. mehr­ fache Stufen auf, die einen mehrstufigen Dispersions- Wellenleiter bilden. Funktionsweise und Vorteile des Schlitzstrahlers dieser Ausführungsform sind gleich wie jene der ersten Ausführungsform. Der Wellenleiter von Fig. 5 kann als erste Abwandlung auf die Energiespei­ sungseinrichtung angewendet werden.

Die Fig. 9a und 9b zeigen Energiespeisungseinrich­ tungen für eine zweite Abwandlung der ersten Ausführungs­ form der Erfindung. Jede Energiespeisungseinrichtung ist als Mikrostrip bzw. Mikrostreifenleitung ausgebildet, die ein Substrat 12 b aus einem Dielektrikum, einen sich mit der einen Seite des Substrats 12 b in engem Kontakt befindlichen Zweigleitungsstreifen 12 und eine auf der anderen Seite des Substrats angeordnete Erdungsplatte 13 (Fig. 9c) aufweist. Der Strip 12 hat ein Speisungs­ ende 12 a. Wie aus Fig. 9c hervorgeht, besitzt die Er­ dungsplatte 13 eine Vielzahl von Abstrahlungsschlitzen 13 a, deren jeder einem Speisungsende 12 c des Strips 12 gegenüberliegt. Eine Reflektorplatte 14 ist der Erdungsplatte 13 gegenüberliegend angeordnet, und Distanzhalter (nicht dargestellt) sorgen für einen Ab­ stand zwischen den beiden Platten. Dieser Abstand h zwischen der Reflektorplatte 14 und der Erdungsplatte 13 beträgt etwa λ/4, so daß also die Energie in einer vor­ gegebenen Richtung von den Schlitzen 13 a abstrahlt.

Die Fig. 10a und 10b zeigen Strahler bzw. Antennen, die mit den Energiespeisungseinrichtungen gemäß Fig. 9a oder 9b ausgestattet sind. Die Speisungseinrichtung ist so an der Antenne befestigt, daß sie die Schlitze 13 a hin zur Energiespeisungsöffnung 4 des rechteckför­ migen Wellenleiters G öffnet. Die Antenne gemäß Fig. 10b weist ein Paar benachbarter rechteckförmiger Wellenleiter G auf. Die aus einem Paar Mikrostreifen­ leitungen bestehende Energiespeisungseinrichtung ist demzufolge an einem zentralen Bereich der Antenne be­ festigt. Funktionsweise und Vorteile dieser Ausführungs­ form entsprechen jenen der ersten Ausführungsform. Der Wellenleiter von Fig. 5 kann als erste Abwandlung auf die Energiespeisungseinrichtung angewendet werden. Ob­ wohl bei obenstehender Ausführungsform der Schlitz 13 a als Abstrahlungselement verwendet wird, können auch an­ dere Elemente Anwendung finden.

Bei der in Fig. 11 gezeigten sechsten Ausführungsform der Erfindung weist die Antenne ein Paar benachbarter rechteckförmiger Wellenleiter G auf, deren jeder im zentralen Bereich der Antenne die Energiespeisungs­ öffnung 4 aufweist, und wobei der Speisungswellenleiter 6 derart mit der Antenne verbunden ist, daß er mit den Energiespeisungsöffnungen 4 kommuniziert.

Wenn unter Bezugnahme auf Fig. 4a, in der die Abstrah­ lungsrichtung bei der ersten Ausführungsform der Erfin­ dung gezeigt ist, die Wellenlänge λ₁ der in den Raum S des rechteckförmigen Wellenleiters gespeisten Energie kürzer ist als die eingestellte Wellenlänge g₀ (Abstand zwischen den Schlitzen 1 a), so eilt die Phase der von dem Schlitz 1 a-1 abgestrahlten Energie der Phase der von dem Schlitz 1 a-2 abgestrahlten Energie um die Differenz zwischen λ₀ und λ₁ (λ₀-λ₁) voraus. Folglich neigt sich die Hauptkeule P in Richtung r, wie das in Fig. 4b gezeigt ist. Wenn die Wellenlänge λ₁ länger ist als die Wellenlänge λ₀, so neigt sich die Hauptkeule P in Richtung auf λ.

Die Fig. 12a und 12b zeigen jeweils die Richtwirkung der Antenne gemäß der in Fig. 11 dargestellten sechsten Ausführungsform. Die von der Energiespeisungseinrichtung 6 eingespeiste Energie wird jeweils auf den rechten und linken Raum S des rechteckförmigen Wellenleiters G auf­ geteilt und verbreitet sich symmetrisch in dem rechten und linken Raum S. Wenn sich deshalb die Wellenlänge der Energie ändert, neigen sich die linke Hauptkeule P 1 und die rechte Hauptkeule P 2 symmetrisch, wie das in Fig. 12b dargestellt ist. Folglich wird die Richtung der resultierenden Hauptkeule P auf vorteilhafte Weise senkrecht zur Oberfläche der Antenne.

In Fig. 13, die eine siebte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung zeigt, weist der rechteckförmige Wellen­ leiter ein Paar benachbarter rechteckförmiger Wellenlei­ ter und ein Paar auf den einander gegenüberliegenden Seiten des rechteckförmigen Wellenleiters angeordneter Speisungswellenleiter 6 auf. Der rechteckförmige Wellen­ leiter besitzt Energiespeisungsöffnungen an seinen bei­ den Enden und den Sumpfwiderstand 7 in seinem zentra­ len Bereich. Die Speisungswellenleiter 6 sind symme­ trisch an dem rechteckförmigen Wellenleiter befestigt, und zwar derart, daß sie mit den Energiespeisungsöff­ nungen 4 kommunizieren. Im zentralen Bereich des Spei­ sungswellenleiters 6 ist das Reflektorelement 10 vorgesehen und reflektiert die Energie auf beide Wel­ lenleiter. Die restlichen Funktionen und Vorteile dieser Ausführungsform sind dieselben wie bei der fünften Aus­ führungsform der Erfindung. Der modifizierte rechteckför­ mige Wellenleiter gemäß Fig. 5 kann auf den Strahler bzw. die Antenne nach der siebten Ausführungsform Anwen­ dung finden.

Bei der in Fig. 14 dargestellten achten Ausführungs­ form der Erfindung weist der rechteckförmige Wellenlei­ ter ein Paar benachbarter rechteckförmiger Wellenleiter auf, und der Speisungswellenleiter 6 ist an der Untersei­ te eines mittleren Bereichs des rechteckförmigen Wellen­ leiters befestigt. In dem Wellenleiter 6 ist das Reflek­ torelement 10 vorgesehen.

Die Fig. 15 und 16 zeigen eine neunte und zehnte Ausführungsform der Erfindung, wobei diese Schlitzstrah­ ler bzw. Schlitzantennen ähnlich wie jene der achten Ausführungsform gemäß Fig. 14 ausgebildet sind. Dieje­ nigen Teile die identisch sind mit jenen der Fig. 14 sind mit gleichen Bezugsziffern gekennzeichnet.

Aus der vorstehenden Beschreibung geht hervor, daß mit vorliegender Erfindung ein Schlitzstrahler mit einem rechteckförmigen Wellenleiter zur Verfügung gestellt wird, der bei hoher Wirksamkeit und Leistung nicht nur kreisförmig, sondern auch linear polarisierte Wellen abstrahlen kann.

Obwohl die vorliegende Erfindung an Hand mehrerer bevorzugter Ausführungsformen beschrieben wurde, sind einzelne Modifikationen und Abwandlungen möglich, ohne vom Rahmen der Erfindung abzuweichen, der in den An­ sprüchen wiedergegeben ist.

Claims (6)

1. Schlitzstrahler bzw. Schlitzantenne mit einem rechteckförmigen Wellenleiter, der einen im Querschnitt rechteckigen Raum und eine Speisungsöffnung aufweist, und mit einer an der Speisungsöffnung mit dem rechteck­ förmigen Wellenleiter verbundenen Energiespeisungsein­ richtung, wobei der rechteckförmige Wellenleiter eine Vielzahl von Wellenabstrahlungsschlitzen aufweist, die einer von metallischen Platten ausgebildet sind, die die langen Seiten der Rechteckform bilden, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite (W) des rechteckförmigen Wellenleiters (G) viermal so groß ist wie die Wellenlänge in dem Raum (S) oder größer, daß die Höhe (d) des rechteckförmigen Wellenleiters (G) ein Viertel dieser Wellenlänge beträgt oder mehr und daß das Verhältnis der Breite (W) zur Höhe (d) des recht­ eckförmigen Wellenleiters (G) 10 : 1 oder größer.

2. Schlitzstrahler nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der rechteckförmige Wellenleiter (G) einen Widerstandsbelag (7) an einer Endplatte (3) aufweist, die der Energiespeisungsöffnung (4) gegenüberliegend angeordnet ist.

3. Schlitzstrahler nach Anspruch 1 oder 2, da­ durch gekennzeichnet, daß der Raum in Richtung auf die Endplatte (3) reduziert ist.

4. Schlitzstrahler nach Anspruch 1, 2 oder 3, da­ durch gekennzeichnet, daß die Energie­ speisungseinrichtung einen Speisungswellenleiter (6) aufweist, der mit einer Vielzahl von Speisungsöffnun­ gen versehen ist, die zur Dispersion von Energie und zur Speisung der Energie in den rechteckförmigen Wellenleiter mit dem Raum (S) kommunizieren.

5. Schlitzstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisungswellen­ leiter (6) seitlich an dem rechteckförmigen Wellenleiter (G) angebracht ist.

6. Schlitzstrahler nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisungswellen­ leiter (6) T-förmig ausgebildet ist.