DE4013952A1

DE4013952A1 - Flacher schlitzgruppenstrahler

Info

Publication number: DE4013952A1
Application number: DE19904013952
Authority: DE
Inventors: Kunitaka Arimura; Akira Tsukada; Fumio Takenaga; Hiroshi Kasuga
Original assignee: Arimura Giken KK
Current assignee: Arimura Giken KK
Priority date: 1989-04-28
Filing date: 1990-04-30
Publication date: 1990-11-15
Also published as: FR2646565B1; GB2232302A; GB9009351D0; FR2646565A1

Description

Die Erfindung betrifft einen flachen Schlitzgruppenstrahler für Kommunikation, Rundfunkübertragung und andere Zwecke. Insbesondere jedoch betrifft die Erfindung Form und Anordnung von Energieabstrahlungsschlitzen, die auf der Abstrahlungsseite des Strahlers bzw. der Antenne vorgesehen sind.

Fig. 21 zeigt einen herkömmlich ausgebildeten Schlitzgruppenstrahler mit einer Vielzahl von Schlitzen b, die in gleichen Abständen in einer Platte eines rechteckförmigen Wellenleiters a ausgebildet sind. Die elektromagnetische Welle pflanzt sich in dem rechteckförmigen Wellenleiters a in dem Modus TE 10 fort. Die elektrische Energie wird von jedem Schlitz b abgestrahlt. Fig. 22 zeigt die Verteilung der Leistungsdichte in dem Wellenleiter.

Ein weiteres Beispiel eines herkömmlich ausgebildeten Strahlers mit kreisförmigem Wellenleiter ist in Fig. 23 gezeigt. Hier wird die elektrische Energie von einer Energiespeisungsöffnung 11, die in der Mitte einer kreisrunden Platte 13 ausgebildet ist, gespeist und pflanzt sich in einem Raum fort, der gebildet wird durch ein Paar kreisrunder, metallischer Platten 12 und 13 und eine ringförmige Seitenplatte 14. Schlitze 12 a′ sind koaxial in der Platte 12 vorgesehen, und jeder Schlitz 12 a′ weist eine Querschnittsform in gleicher Dimension auf. Die Energie wird von jedem Schlitz 12 a′ abgestrahlt. Die restliche Energie in dem kreisrunden Wellenleiter wird in einem Schlußwiderstand 16 absorbiert. Ein Generator für kreisförmig polarisierte Wellen befindet sich als Energiespeisungseinrichtung für die gleichphasige Abstrahlung der Energie an dem kreisförmigen Energiespeisung-Wellenleiter 18′.

Eine noch andere herkömmliche Strahlerausbildung mit unterschiedlich geformten und angeordneten Schlitzen zeigen die Fig. 24 und 25. Die elektrische Energie wird dem kreisförmigen Wellenleiter über einen Feeder 18 eines Koaxialkabels zugeleitet. In diesem Strahler verläuft die Richtung eines Schlitzes 12 a - wie Fig. 25 zeigt - senkrecht zu jeder eines benachbarten Schlitzes 12 a, derart, daß ein Schlitzpaar gebildet wird. Beide Schlitze eines jeden Paares sind in einem Abstand von einem Viertel (λ g/4) der Wellenlänge λ g in der radialen Richtung der Platte 12 angeordnet. Das resultierende elektrische Feld der von einem Schlitzpaar 12 a abgestrahlten Welle wird zu einer kreisförmig polarisierten Welle. Das Paar von Schlitzen 12 a ist spiralförmig in der Platte 12 entlang der Strich-Punkt-Linie DS angeordnet, derart, daß die durch die ganzen Schlitze 12 a zusammengesetzte Welle zu einer kreisförmig polarisierten Welle wird.

Fig. 28 zeigt eine weitere Form eines herkömmlichen Gruppen-Schlitzstrahlers, bei welchem der Wellenleiterraum S vertikal in einen unteren Wellenleiterraum S 1 und einen oberen Wellenleiterraum S 2 unterteilt ist, und zwar mit Hilfe einer Zwischenplatte 15 aus Metall. Der Schlußwiderstand 16 befindet sich in der Mitte des Raums S 2. Die von der Energiespeisungsöffnung 11 zugeführte Energie pflanzt sich in dem Raum S fort, indem sie den unteren Raum S 1, einen ringförmigen Spalt D′ zwischen der Seitenplatte 14 und der Zwischenplatte 15 und den oberen Raum S 2 passiert. Die gleichphasige Energie wird von den Schlitzen 12 a abgestrahlt.

Die Probleme bei den herkömmlich ausgebildeten Strahlern sind wie folgt:

Bei dem in Fig. 21 gezeigten Strahler hat jeder Schlitz b die gleiche Schlitzkopplungsgeschwindigkeit, die ja die Geschwindigkeit der von dem Schlitz b abgestrahlten Energie repräsentiert, wie die anderen. Folglich reduziert sich die Energiedichte in dem Wellenleiter a exponentiell, wie in dem Diagramm von Fig. 22 gezeigt. Daraus resultiert eine unregelmäßige Amplitudenverteilung auf den Strahler bzw. die Antenne, derart, daß der Seitenzipfel groß und der Strahlungsgewinn verringert wird.

Bei dem kreisförmigen Wellenleiter reduziert sich die Dichte des internen elektromagnetischen Feldes mit der Entfernung r von der Energiespeisungsöffnung 11, wie das die Kurve Po in Fig. 26 zeigt. Die internen elektromagnetischen Felder werden zur Abstrahlung von den Schlitzen 12 a als die elektromagnetische Welle im freien Raum mit den Energieabstrahlungsschlitzen 12 a gekoppelt. Die diesbezügliche Abstrahlungscharakteristik ist an der Kurve P 1 in Fig. 26 abzulesen. Dadurch ist, wie Fig. 27 zeigt, die Energieverteilung der Strahleröffnung unregelmäßig, so daß sich der Flächenwirkungsgrad reduziert. Hinzu kommt, daß die angrenzend an die Resonanz-Wellenlänge angeordneten Schlitze den Energiespeisungsbereich derart beeinträchtigen, daß ein Modus höherer Ordnung produziert wird.

Bei dem in Fig. 28 gezeigten Strahler wird die Energie durch die Seitenplatte 14 zu einem zentralen Bereich in dem oberen Raum 2 geleitet. Folglich zeigt die Energiedichte eine vergleichsweise flache Charakteristik, wie aus Fig. 29 hervorgeht, und eine vorzuziehende Energieverteilung wird wie in Fig. 30 gezeigt erreicht. Jedoch wird die in den Wellenleiter gespeiste Energie an dem Energiespeisungsbereich und an der Seitenplatte 14 reflektiert.

Bei dem in Fig. 31 dargestellten Strahler ist ein konisches Anpassungsteil 17 in der Energiespeisungseinrichtung 18 montiert, und die Seitenplatte 14 ist mit einer ein V-förmiges Querschnittsprofil aufweisenden Innenwand ausgebildet, wodurch eine Energierückstrahlung verhindert wird. Bei diesem Strahler ist der Wellenleiter jedoch schwierig herzustellen und entsprechend teuer.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen flachen Schlitz-Gruppenstrahler zur Verfügung zu stellen, bei welchem sich die Wirksamkeit bzw. Leistung der Schlitze erhöhen läßt, indem bei einfacher Konstruktion für eine wünschenswerte Amplitude und wünschenswerte Phasenverteilungen über dem Schlitz gesorgt wird.

Diese Aufgabe wird bei einem Gegenstand nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 erfindungsgemäß durch dessen kennzeichnende Merkmale gelöst.

Dazu weist ein flacher Schlitzgruppenstrahler gemäß vorliegender Erfindung einen Wellenleiter mit einem Raum mit rechteckförmigem Querschnittsprofil und einer Energiespeisungsöffnung auf, wobei der Wellenleiter eine Vielzahl von Wellenabstrahlungsschlitzen besitzt, die in einer der Metallplatten ausgebildet sind, die den Wellenleiter bilden. Die Größe der Schlitze und deren Abstand zueinander ändert sich progressiv in Richtung auf die Endstelle der Energiefortpflanzung in dem Raum des Wellenleiters.

Nach einem Aspekt der Erfindung wird die Länge des Schlitzes in Richtung auf die Endstelle bzw. das Anschlußende in einem Ausmaß progressiv vergrößert, daß die Resonanzlänge des Schlitzes nicht überschritten wird, und der Abstand zwischen den Schlitzen verringert sich progressiv in Richtung auf die Endstelle bzw. das Anschlußende.

Nach einem weiteren Aspekt der Erfindung wird die Länge des Schlitzes in Richtung auf die Endstelle bzw. das Anschlußende in einem Ausmaß progressiv verringert, daß die Resonanzlänge des Schlitzes nicht überschritten wird, und der Abstand zwischen den Schlitzen vergrößert sich progressiv in Richtung auf die Endstelle bzw. das Anschlußende.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung bevorzugter Ausführungsformen der Erfindung im Zusammenhang mit den Zeichnungen. Darin zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Darstellung eines flachen Schlitzgruppenstrahlers gemäß vorliegender Erfindung;

Fig. 2 eine Anordnung von Energieabstrahlungsschlitzen des Strahlers;

Fig. 3 eine Darstellung des Fortpflanzungsmodus;

Fig. 4 ein Diagramm zur Darstellung der Relation zwischen Schlitzlänge und Impedanz des Schlitzes;

Fig. 5 ein Diagramm zur Darstellung der Relation zwischen Schlitzlänge und Kopplungsgeschwindigkeit des Schlitzes;

Fig. 6 ein Diagramm zur Darstellung der Relation zwischen Schlitzlänge und dem Verzögerungswellen-Verhältnis des Schlitzes;

Fig. 7 eine perspektivische Darstellung einer ersten Modifikation des Strahlers gemäß Fig. 1;

Fig. 8 eine perspektivische Darstellung einer zweiten Modifikation des Strahlers gemäß Fig. 1;

Fig. 9 eine perspektivische Darstellung einer zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil geschnitten dargestellt ist;

Fig. 10 eine schematische, perspektivische Darstellung einer Schlitzanordnung gemäß der zweiten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 11 ein Diagramm zur Darstellung der Energiedichteverteilung in einem Wellenleiterraum des Strahlers;

Fig. 12 eine perspektivische Darstellung einer dritten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung, wobei ein Teil geschnitten dargestellt ist;

Fig. 13 eine schematische Draufsicht auf die dritte Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 14 eine schematische Darstellung des Stromflusses in dem Wellenleiterraum;

Fig. 15 ein Diagramm zur Darstellung der Verteilung der Strahleröffnungsenergie;

Fig. 16a und 16b jeweils ein Diagramm zur Darstellung der Impedanz-Charakteristik des Schlitzes gemäß der dritten Ausführungsform;

Fig. 17a ein Diagramm zur Darstellung der Relation zwischen der Schlitzlänge und der Kopplungsgeschwindigkeit des Schlitzes gemäß der dritten Ausführungsform;

Fig. 17b ein Diagramm zur Darstellung des Verhältnisses der verzögerten Wellen;

Fig. 18 eine schematische Draufsicht auf eine Modifikation der dritten Ausführungsform;

Fig. 19 eine geschnittene, perspektivische Darstellung einer vierten bevorzugten Ausführungsform;

Fig. 20a und 20b jeweils eine geschnittene Darstellung einer fünften bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 20c eine Schnittansicht einer sechsten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung;

Fig. 21 eine perspektivische Darstellung eines herkömmlichen Gruppen-Schlitzstrahlers;

Fig. 22 ein Diagramm zur Darstellung der Energiedichteverteilung in einem Raum des herkömmlichen Strahlers;

Fig. 23 eine perspektivische Schnittansicht einer zweiten herkömmlichen Ausführungsform des Strahlers;

Fig. 24 eine perspektivische Schnittansicht einer dritten herkömmlichen Ausführungsform des Strahlers;

Fig. 25 eine schematische Draufsicht auf den Strahler nach der dritten herkömmlichen Ausbildung;

Fig. 26 ein Diagramm zur Darstellung der Energiedichteverteilung bei einem Strahler gemäß der dritten herkömmlichen Ausbildung;

Fig. 27 ein Diagramm zur Darstellung der Energieverteilung des Strahlers;

Fig. 28 eine perspektivische Schnittansicht einer vierten herkömmlichen Strahlerausbildung;

Fig. 29 ein Diagramm zur Darstellung der Energiedichteverteilung des Strahlers gemäß der vierten herkömmlichen Ausbildung;

Fig. 30 ein Diagramm zur Darstellung der Energieverteilung dieses Strahlers;

Fig. 31 eine perspektivische Schnittansicht eines Strahlers nach einer fünften herkömmlichen Ausführungsform.

Bei der in Fig. 1 dargestellten ersten Ausführungsform der Erfindung weist der Schlitzgruppenstrahler einen rechteckförmigen Wellenleiter auf mit einer Energiespeisungsöffnung 3 a, die auf seiner Einlaßseite ausgebildet ist, und einen Horn-Wellenleiter 4, der an der Energiespeisungsöffnung 3 a mit dem rechteckförmigen Wellenleiter verbunden ist. Letzterer weist zwei einander gegenüberliegende metallische Platten 1 und 2 und Seitenplatten 3 aus Metall auf, die an den drei Seiten jeder Platte 1 (2) derart befestigt sind, daß ein rechteckförmiger Wellenleiterraum S mit rechteckförmiger Querschnittsform gebildet wird. Die metallische Platte 1 besitzt eine Vielzahl von Abstrahlungsschlitzen 1 a für elektrische Energie, die in einer Matrix angeordnet sind. An der Innenseite der Endseitenplatte 3 des rechteckförmigen Wellenleiters ist ein Schlußwiderstand 6 vorgesehen. In dem Horn-Wellenleiter 4 befindet sich eine Linsenantenne aus einem Dielektrikum.

Die elektrische Energie breitet sich in dem Horn-Wellenleiter 4 aus, wobei die Phasenfronten koaxial zu einer idealen Quelle liegen. Die Energie wird, wenn sie durch die Linsenantenne 5 a hindurchtritt, in eine ebene Welle umgewandelt. Dadurch wird die Energie dem rechteckförmigen Wellenleiter in Form der ebenen Welle zugeleitet. In dem Raum S ist eine Verzögerungseinrichtung 5 b wie beispielsweise ein Dielektrikum vorgesehen, nämlich zur Unterdrückung des Entstehens der Gitterstrahlungskeule.

Um, bezugnehmend auf Fig. 2, die Energieverteilung gleichmäßig zu gestalten, wird die Länge jedes Schlitzes 1 a in jeder Reihe in Richtung auf das Anschlußende des Strahlers progressiv länger. Des weiteren werden die Abstände Sy 1, Sy 2, Sy 3 . . . zwischen den Reihen in Richtung auf das Ende progressiv kleiner.

Die von dem Horn-Wellenleiter 4 zugeleitete Energie breitet sich in dem Wellenleiterraum in dem in Fig. 3 gezeigten Grundmodus aus und wird von den Schlitzen 1 a in den freien Raum abgestrahlt. In dieser Figur bezeichnet Bezugsziffer E die elektrische Kraftlinie und Bezugsziffer M die magnetische Kraftlinie. Der Wellenleiter in Fig. 3 ist zur Verdeutlichung des Modus ohne Rücksicht auf die tatsächliche Größe der jeweiligen Teil dargestellt. Da das Verhältnis zwischen Breite und Höhe des Wellenleiters tatsächlich mehrere zehn zu eins beträgt, ist der Wellenleiter bei einer großen Breite sehr schmal. Demzufolge können Schlitze von mehreren zehn in seitlicher Richtung in einem Modus vorgesehen werden.

Zur gleichmäßigen Abstrahlung der elektrischen Energie von all den Schlitzen in n Reihen und zur vollständigen Abstrahlung der gesamten Energie ohne Verlust entspricht die Quantität der von den Schlitzen in jeder Reihe abgestrahlte Energie gleich Po/n, wenn die gesamte elektrische Energie Po beträgt. Deshalb sollte die Kopplungsrate bzw. Kopplungsgeschwindigkeit bei jeder Reihe von Schlitzen so bemessen werden, daß die abgestrahlte Energiemenge bei jeder Reihe gleich Po/n betragen kann.

Wenn die Kopplungsgeschwindigkeit der Schlitze in einer Reihe k gleich α k und die interne elektrische Energie nach Passieren der Schlitze in der Reihe k gleich Pk ist, so gilt:

α₁P₀ = α₂P₁ = a₃P₂

= . . . = α _K P _K-i = . . . = P₀/n

Ferner gilt:

P₁ = (1 - 1/n)P₀

P₂ = (1 - 2/n)P₀
. . .
P _k = (1 - k/n)P₀

so daß folglich:

α₁ = 1/n

α₂ = P₀/nP₁ = 1/(n - 1)
. . .
α _k = 1/(n - k + 1)

Dadurch beträgt die Kopplungsgeschwindigkeit α k in der Reihe k

1/(n - k + 1)

Fig. 4 zeigt die Relation zwischen der Schlitzlänge und der Impe danz über die halbe Wellenlänge bei einer konstanten Frequenz. Wird die Länge des Schlitzes 1 a größer, so vergrößert sich jeweils auch der Widerstand R und die Reaktanz X. Die Reaktanz bzw. der Blindwiderstand X reduziert sich erheblich in der Nähe der halben Wellenlänge, derart, daß die Impedanz zu einem Resonanz-Zustand wird. Mit zunehmender Schlitzlänge verringert sich die Reaktanz X weiter. Hat die Reaktanz X eine Spitze erreicht, steigt sie wieder an. In der Zwischenzeit verringert sich der Widerstand R.

Fig. 5 zeigt die Relation zwischen Schlitzlänge und Kopplungsge schwindigkeit α in Abhängigkeit von der Impedanz. Die Kopplungsge schwindigkeit α erreicht einen Spitzenwert, wenn die Länge des Schlitzes in der Nähe der halben Wellenlänge liegt. Zum Erreichen der gewünschten Kopplungsgeschwindigkeit läßt sich die Länge des Schlitzes 1 a anhand des Diagramms bestimmten.

Bei der ersten Ausführungsform der Erfindung wird eine Schlitzlänge verwendet, die kürzer ist als die halbe Wellenlänge. Die Schlitze in jeder Reihe sind so ausgebildet, daß deren Länge zunimmt, wie beispielsweise l 1 (erste Reihe), l 2, . . ., lk, . . ., wie das in den Fig. 2 und 5 gezeigt ist, derart, daß die Kopplungsgeschwindig keit der Schlitze so sein kann, daß die erste Reihe zu α 1 wird, die zweite Reihe α 2 und die Reihe k gleich α k ist, derart, daß die abgestrahlte Energie gleichmäßig wird. Wenn annähernd die gesamte Energie von den Schlitzen abgestrahlt wird und der Einfluß der Reflexion der Energie an einer Schlußwand in dem Wellenleiter ver nachlässigt werden kann, wird der Schlußwiderstand 16 unnötig.

Die Phase der von den Schlitzen abgestrahlten elektromagnetischen Welle eilt hinsichtlich der Phase in dem Wellenleiterraum in Über einstimmung mit der in Fig. 4 gezeigten Reaktanz X vor oder nach. Fig. 6 zeigt ein Verzögerungswellen-Verhältnis ξ der Wellenlänge g g in dem Wellenleiterraum zur Wellenlänge λ in dem freien Raum, und zwar mit Rücksicht auf die nacheilende Phase und die voreilende Phase. Das Verzögerungswellen-Verhältnis ξ reduziert sich, wenn die Länge des Schlitzes 1 a kleiner ist als die halbe Wellenlänge. Das Verhältnis ξ vergrößert sich erheblich über die halbe Wellenlänge und verringert sich mit der weiter zunehmenden Schlitzelänge wieder. Wenn der Abstand zwischen den Schlitzreihen in Übereinstimmung mit dem Verzögerungswellen-Verhältnis ξ eingestellt wird, wird die elektromagnetische Welle der gleichen Phase von den Schlitzen in jeder Reihe abgestrahlt. Bei vorliegender Ausführungsform reduziert sich der Abstand zwischen den Reihen progressiv in Richtung auf das Anschlußende des Wellenleiters.

Wenn zum Beispiel die Breite des Wellenleiters 30 cm und die Länge 50 cm beträgt, so entspricht die Strahlungsleistung 70% und der Strahlungsgewinn etwa 33,2 dBi bei 12 Ghz.

Wenn der Schlitz mit einer größeren Länge als der halben Wellen länge verwendet wird, so verringert sich die Schlitzlänge progressiv und der Abstand zwischen den Reihen wird stufenweise in Richtung auf das Anschlußende vergrößert.

Wenn des weiteren der Abstand zwischen den Reihen mit einer vorge gegebenen Rate vergrößert wird, so neigt sich die Richtwirkung der Welle in Richtung auf das Anschlußende. Wird der Abstand ver kleinert, neigt sich die Richtwirkung in der entgegengesetzten Richtung. Dadurch läßt sich die Richtwirkung in einfacher und ge wünschter Weise neigen.

Die Fig. 7 und 8 zeigen jeweils eine erste und zweite Modifikation der ersten Ausführungsform der Erfindung. Dabei ist ein rechteckförmiger Speisungs-Wellenleiter 10, der Speisungsöffnungen 9 in einer seiner metallischen Platten aufweist, als Speisungsein richtung an dem rechteckförmigen Wellenleiter angebracht. Die rest lichen konstruktiven Merkmale dieser Modifikationen sind identisch mit jenen der ersten Ausführungsform. Dadurch wird die Einheitlichkeit der internen Energie vergrößert und die Verteilungsleistung verbessert. Hinzu kommt, daß dieser Strahler von der Größe her kompakt gebaut ist.

Gemäß dieser ersten Modifikation kann der Strahler symmetrisch um die Energiespeisungseinrichtung 10 herum ausgebildet sein, wie das anhand der Strich-Punkt-Linie in Fig. 7 dargestellt und auch gemäß der zweiten Modifikation nach Fig. 8 der Fall ist. Bei einer solchen Ausbildung bleibt die resultierende Richtwirkung beider Seiten selbst dann konstant, wenn sich die Frequenz ändert, um die Richt wirkung zu ändern. Dadurch läßt sich eine stabile Charakteristik in einem weiten Bereich erzielen.

Als Energiespeisungseinrichtung kann eine Mikrostreifenleitung ver wendet werden, um eine Vielzahl von Pfosten oder Schlitzen mit Energie zu versorgen. Bei dem Strahler gemäß dieser Ausführungsform wird die Energie auf H-Ebene abgestrahlt. Zur Energieabstrahlung kann jedoch auch die E-Ebene verwendet werden.

Fig. 9 zeigt eine zweite Ausführungsform der Erfindung, nämlich einen kreisförmigen Schlitzgruppenstrahler, der ausgebildet ist mit einer metallischen, kreisförmigen Abstrahlungsplatte 1 mit einer Vielzahl von darin koaxial oder spiralförmig angeordneten Schlitzen 1 a, mit einer Platte 1 gegenüberliegenden metallischen, kreis förmigen Platte 2 und mit einer metallischen, ringförmigen Seiten platte 3, die zur Bildung eines Wellenleiterraums S zwischen den äußeren Umfangsbereichen der kreisförmigen Platten 1 und 2 befestigt ist. Eine Energiespeisungseinrichtung 7 mit einem Koaxialkabel ist in einer in der Mitte der Platte 2 ausgebildeten Energiespeisungsöffnung 2 a befestigt.

Eine Zwischenplatte 8 aus Metall befindet sich in dem Wellenleiter raum S, wobei zwischen dieser Platte 8 und der Seitenplatte Raum zur Speisung von Energie vorhanden ist. Der Wellenleiterraum S ist in vertikaler Richtung in einer unteren Wellenleiterraum S 1 und einen oberen Wellenleiterraum S 2 unterteilt.

Die Länge der Schlitze verringert sich progressiv in Richtung auf die Mitte des Wellenleiters, um eine gleichmäßige Apertur-Energie verteilung zu erreichen.

Die über die Energiespeisungsöffnung 2 a gespeiste Energie Pf pflanzt sich in dem Raum S fort, indem sie den unteren Raum S 1, einen Ringspalt D zwischen der Seitenplatte 3 und der Zwischenplatte 8 und den oberen Raum S 2 passiert.

Die Energie gleicher Phase wird von den Schlitzen 1 a abgestrahlt.

Beschreibt man die Schlitzgruppenanordnung der zweiten Ausführungs form der Erfindung mit Bezugnahme auf die Fig. 10 und 11, so sind n Kreise von Schlitzen in regelmäßigen Abständen d angeordnet. Deshalb wird der Radius des äußersten Kreises mit nd bezeichnet. Wenn die Energiedichte vor Abstrahlung aus den Schlitzen in dem Schlitzkreis k, ausgehend von dem äußersten Kreis (erster Kreis), gleich Qk - 0, die Energiedichte nach der Abstrahlung aus den Schlitzen in dem Kreis k gleich Qk + 0, die initiale Energiedichte gleich Qo und die aus jedem Schlitz abgestrahlte Energie gleich C ist, dann wird die Energiedichte vor Passieren der Schlitze in dem ersten Kreis dargestellt als

Q _1-0 = Qo

Die Energiedichte nach Passieren des ersten Schlitzkreises ist

Q ₁₊₀ = Qo - C

Die Energiedichte vor Passieren des zweiten Schlitzkreises ist

Die Energie nach Passieren des zweiten Schlitzkreises ist

Wenn die Energiedichte nach Passieren der Schlitze in der Reihe n gleich Null ist, dann erhält man folgende Gleichung

Dadurch entspricht die aus jedem Schlitz abgestrahlte Energie

Wenn die Kopplungsgeschwindigkeit α k des Schlitzkreises k derart bestimmt wird, daß das Produkt der Kopplungsgeschwindigkeit α k multipliziert mit der zu dem Schlitzkreis k gespeisten Energiedichte Qk-0 die abgestrahlte Energie C sein kann, so wird die Apertur- Amplitudenverteilung der Platte 1 gleichförmig bzw. einheitlich.

Da die Energiedichte Qk-0 gleich

ist, ist die Kopplungsrate gleich

Dadurch wird die Länge des Schlitzes 1 a basierend auf der Kopplungs geschwindigkeit α k bestimmt und der Abstand zwischen den Schlitzen so eingestellt, daß die elektromagnetischen Wellen mit gleicher Phase und derselben Amplitude aus den Schlitzen abge strahlt werden.

Die durch die ungleiche Schlitzlänge verursachte Phasenabweichung wird korrigiert durch die Einstellung des Abstands zwischen den Schlitzkreisen. Da für eine gewünschte Kopplungsgeschwindigkeit ge sorgt werden kann, erreicht man die gewünschte Apertur-Verteilung wie zum Beispiel eine binominale Verteilung, Taylor-Verteilung und Dolph-Chebyshev-Verteilung, wodurch ein Strahler mit hoher Leistung zur Verfügung gestellt werden kann.

Für den Fall, daß die Schlitze 1 a in der kreisförmigen Platte 1 spiralförmig angeordnet sind, wird die interne elektromagnetische Energie P pro Flächeneinheit an einem Kreis bei einem Radius r aus gedrückt als

P = Po/(2π r × h),

wobei Po die gesamte, dem Wellenleiter zugeleitete Energie und h der Abstand in dem Wellenleiterraum ist.

Die abgestrahlte elektrische Energie Pr an der Position des Radius r ist

Pr = α × P = α × Po/(2π r × h)

Deshalb entspricht die aus dem Schlitz des Kreises n abgestrahlte Energie Prn gleich

Prn = α n × Pn
und
Pn = (1 - α _n-1) × P _n-1 × r _n-1/r _n

(wobei rn der Abstand zwischen dem Schlitz des Schlitzkreises n und der Mitte des Wellenleiters ist).

Obwohl der Schlitz 1 a eine kürzere Länge als der halbe Wellenleiter besitzt, kann in der zweiten Ausführungsform auch ein Schlitz mit größerer Länge verwendet werden.

Fig. 12 zeigt eine dritte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, wobei der kreisförmige Schlitzstrahler in dem Wellenleiterraum S eine Wellenverzögerungseinrichtung besitzt, die eine erste Schicht 19 aus Polystyrolschaum und eine zweite Schicht 20 aus Polyäthylen unter der ersten Schicht 19 aufweist.

Als Wellenverzögerungseinrichtung können geschäumte Kunststoffe wie Polyäthylenschaum und Polypropylenschaum und eine Wellschaltung verwendet werden. Wenn die Schlitze 1 a innerhalb einer Wellenlänge ausgebildet sind, wird die Wellenverzögerungseinrichtung nicht vor gesehen, jedoch eine Isolierung zwischen den beiden Platten 1 und 2, damit der Raum beibehalten wird.

Um, bezugnehmend auf Fig. 13, eine gewünschte Apertur-Energiever teilung zu erreichen, wird die Dimension (Breite oder Länge) des Schlitzes 1 a in Richtung auf die äußere Peripherie des Wellenleiters progressive vergrößert. Der Abstand zwischen den an einem Ra dius vorgesehenen Schlitzen wird in Richtung auf die Peripherie progressiv verkleinert (Sr 1 < Sr 2 < Sr 3 < . . .).

Fig. 14 zeigt die interne elektromagnetische Energie in dem Wellen leiter. Wenn der Radius r eines eines einen Schlitz passierenden Kreises gleich r < λ g ist, dann verringert sich die interne Energie P pro Flächeneinheit mit einer Zunahme des Radius r. Die interne elektromagnetische Energie P pro Flächeneinheit an einem Kreis bei dem Radius r wird ausgedrückt als

P = Po/(2π r × h),

Die abgestrahlte elektrische Energie Pr an der Position des Radius r ist

Pr = α × P = α × Po/(2π r × h)

Die Kopplungsgeschwindigkeit α wird in Übereinstimmung mit der Länge des Schlitzes entsprechend der Wellenlänge in dem freien Raum, der dielektrischen Konstante r des für die Wellenverzögerungs einrichtung verwendeten Harzes und dem Abstand h in dem Wellenleiterraum bestimmt.

Deshalb ist die aus dem Schlitz des Kreises n von der Mitte aus ab gestrahlte Energie Prn gleich

Prn = α n × Pn
und
Pn = (1 - α _n-1) × P _n-1 × r _n-1/r _n

Die Fig. 16a und 16b zeigen die Relation zwischen der Länge des Schlitzes und der Impedanz über die halbe Wellenlänge bei einer vorgegebenen Frequenz. Wenn die anderen Parameter konstant sind, so hat die Relation zwischen der Länge des Schlitzes und der Kopplungsgeschwindigkeit α eine Charakteristik ähnlich jener des realen Teils der Impedanz, wie in Fig. 17a gezeigt.

Aus den Diagrammen geht hervor, daß sich die Kopplungs geschwindigkeit α mit der von der Resonanzlänge (in der Nähe der halben Wellenlänge) abweichenden Länge des Schlitzes verringert. Da die Länge SL des Schlitzes in jedem Kreis in Richtung auf die Peripherie (SL 1 < SL 2 < . . .) graduell zunimmt, so daß die Kopplungsgeschwindigkeit α zunehmen kann (α1 < α2 < α3 < . . .) und die Apertur-Energieverteilung gleich Pr 1 = Pr 2 = . . . sein kann, wird die Apertur-Energieverteilung, wie in Fig. 15 gezeigt, ver einheitlicht. Wenn der Durchmesser zum Beispiel etwa 20 λ0 und die Breite des Schlitzes 0,04 λ0 beträgt, dann ist die Länge SL

0,3 λ0 SL Resonanzlänge ≒ 0,46 λ0.

Da die in Fig. 16b gezeigte Impedanz eine imaginäre Komponente besitzt, eilen die Phasen der Energie Pn und der abgestrahlten Energie Prn um die Resonanzlänge vor oder nach. Demzufolge ändert sich, wie in Fig. 17b gezeigt, das Verzögerungswellen-Verhältnis unregel mäßig.

Um die Phasendifferenz zu korrigieren, wird der Abstand zwischen den Kreisen der Schlitze reduziert (Sr 1 < Sr 2 < Sr 3 < . . .), so daß für eine phasengleiche Welle gesorgt wird. Dadurch wird das resul tierende elektromagnetische Feld gleicher Phase gebildet und somit ein Strahler mit hoher Leistung zur Verfügung gestellt. Bei der vorliegenden Ausführungsform werden die gleichen Vorteile wie bei den vorhergehend beschriebenen Ausführungsformen erreicht.

Fig. 18 zeigt eine Modifikation der dritten Ausführungsform der Erfindung, wonach die Länge des Schlitzes in jedem Kreis in Richtung auf die Peripherie verkürzt wird. Jedoch sind die Schlitze derart angeordnet, daß die Kopplungsgeschwindigkeit α in Richtung auf die äußere Peripherie des Wellenleiters zunimmt. Die Schlitze des äußersten Kreises besitzen dieselbe Länge wie jene der dritten Ausführungsform, das heißt die Resonanzlänge bei Betriebsfrequenz in dem Raum S.

Die Phasen der sich in dem Raum S ausbreitenden elektrischen Energie und der abgestrahlten Energie Pr ändern sich in einer Weise wie Sr 4 < Sr 5 < Sr 6< . . ., was umgekehrt zur Antenne bzw. zu dem Strahler der dritten Ausführungsform ist. Dadurch sind auch die Schlitze entsprechend angeordnet, und es kann die gleiche Wirkung wie bei der dritten Ausführungsform erzielt werden.

Fig. 19 zeigt eine vierte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung, nach welcher anstelle der Energiespeisungseinrichtung 7 ein zylinderförmiger Energiespeisungs-Wellenleiter 7′ an die Energie speisungsöffnung 2 a angrenzend montiert ist. Die restliche Kon struktion ist dieselbe wie bei der dritten Ausführungsform.

Die Energie in dem Modus von TE 01 oder TM 01 wird dem Speisungs-Wellenleiter 7′ zugeleitet. Bei dieser Ausführungsform können zwei Arten von dem im Zusammenhang mit der dritten Ausführungsform beschriebenen Schlitzanordnungen verwendet werden.

Der Strahlertyp gemäß Fig. 23 kann ebenso in Übereinstimmung mit vorliegender Erfindung angeordnet werden, um so für eine gewünschte Apertur-Verteilung zu sorgen.

In Fig. 20a ist eine fünfte bevorzugte Ausführungsform der Erfindung gezeigt, nach welcher ein kreisförmiger Strahler ein konisches Abgleichteil 21 aus metallischem Werkstoff mit konischer Oberfläche in einem Winkel von 45° aufweist. Das Abgleichteil 21 ist an der Unterseite der Platte 1 befestigt. Die Oberseite des Abgleichteils 21 ist der Energiespeisungsöffnung 2 a zugewandt. Die Energie speisungseinrichtung bzw. der Feeder 7 des Koaxialkabels weist einen mit der Speisungsöffnung 2 a verbundenen äußeren Leiter 7 a und einem mit der Oberseite des Abgleichteils 21 verbundenen inneren Leiter 7 b auf.

Fig. 20 zeigt eine Abwandlung des Strahlers der fünften Ausführungs form, der anstelle des Koaxialkabels 7 mit einem Energiespeisungs- Wellenleiter 7′ ausgestattet ist. Das Abgleichteil 21 befindet sich auf der Achse des Speisungs-Wellenleiters 7, nämlich zur Unterdrückung der Reflexion der Energie an dem Energie speisungsbereich.

Eine sechste Ausführungsform der Erfindung ist in Fig. 20c gezeigt, bei welcher der Feeder 7 des Koaxialkabels verwendet wird. Der Abgleich wird durch Einstellen der Länge L eines Sondenbereichs und des Durchmessers Do des inneren Leiters 7 b erreicht. Bei der sechsten Ausführungsform der Erfindung wird dieselbe Wirkung erreicht wie bei der fünften Ausführungsform.

Erfindungsgemäß ist die Länge des Schlitzes und der Abstand zwischen den Reihen der Schlitze in dem Strahler so getroffen, daß eine gewünschte Apertur-Energieverteilung erreicht wird. Dadurch verfügt der Strahler über die gewünschte Charakteristik, eine hohe Leistung und eine einfache Konstruktion.

Claims

1. Flacher Schlitzgruppenstrahler mit einem Wellenleiter, dessen Raum ein rechteckförmiges Querschnittsprofil aufweist, und mit einer Energiespeisungsöffnung, wobei der Wellenleiter eine Vielzahl von Wellenabstrahlungsschlitzen besitzt, die in einer von den Wellen leiter bildenden metallischen Platten ausgebildet sind, dadurch gekennzeichnet, daß sich die Größe eines jeden Schlitzes und der Abstand zwischen den Schlitzen in Richtung auf ein Anschlußende der Energiefortpflanzung in dem Raum des Wellenleiters progressiv ändern.

2. Schlitzgruppenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schlitzes in Richtung auf das Anschlußende progressiv größer wird, und zwar in einem derartigen Ausmaß, daß eine Resonanzlänge des Schlitzes nicht überschritten wird, und daß der Abstand zwischen den Schlitzen in Richtung auf das Anschlußende progressiv kleiner wird.

3. Schlitzgruppenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des Schlitzes in Richtung auf das Anschlußende progressiv kleiner wird, und zwar in einem derartigen Ausmaß, daß die Resonanzlänge des Schlitzes nicht überschritten wird, und daß der Abstand zwischen den Schlitzen in Richtung auf das Anschlußende progressiv größer wird.

4. Schlitzgruppenstrahler nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Resonanzlänge in der Nähe einer halben Wellenlänge liegt.