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Die
Erfindung hat einen aktiven Höchstfrequenzreflektor
mit elektronischer Strahlschwenkung zum Gegenstand, der von einer
Quelle für
Höchstfrequenzwellen
angestrahlt werden kann, um eine Antenne zu bilden.
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Die
Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung sind gewöhnlich aus
einer Gruppe von Antennenelementen gebildet, die eine Höchstfrequenzwelle
abstrahlen, deren Phase für
jedes Element oder jede Gruppe von Elementen auf unabhängige Weise
elektronisch steuerbar ist. Eine Antenne, deren Strahlenbündel in
der Lage ist, den Raum in zwei zueinander senkrechten Richtungen
(2D) zu überstreichen,
erfordert eine große
Anzahl Antennenelemente; ihre Kosten, jene der Phasenschieber und
der zugeordneten Elektronik machen diesen Antennentyp im All-gemeinen sehr teuer.
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Das
Dokument EP-A-595 726 offenbart eine Antenne mit elektronischer
Strahlschwenkung, die ein Raster aus Photoempfänger-Phasenschieberelementen
umfasst, das in Transmission als Höchstfrequenzlinse oder mit
einer Metallisierung oder einem Netz aus Metalldrähten als
aktiver Höchstfrequenzreflektor
arbeiten kann.
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Das
Dokument FR-A-2 708 808 beschreibt eine Phasenschieberplatte mit
vier Phasenzuständen
sowie ihre Anwendung auf eine Höchstfrequenzlinse,
wobei die Platte Leitungsdrähte
umfasst, die parallel zur Richtung des elektrischen Feldes einer einfallenden
Welle angeordnet sind, wobei jeder Draht wenigstens zwei Dioden
trägt,
die gegenphasig geschaltet sind und von Steuerleitungen gespeist werden.
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Die
Erfindung hat zum Ziel, die Verwirklichung einer 2D-Antenne mit
elektronischer Strahlschwenkung zu einem Preis zu ermöglichen,
der bei vergleichbaren Leistungsparametern wesentlich niedriger
als jener der bekannten Antennen ist.
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Dazu
ist die Antenne gemäß der Erfindung aus
einer Quelle für
eine linear polarisierte Höchstfrequenzwelle
gebildet, die einen aktiven Höchstfrequenzreflektor
anstrahlt. Der aktive Reflektor gemäß der Erfindung umfasst eine
Gruppe von Elementarzellen, die jeweils eine Höchstfrequenzphasenverschiebungsschaltung
umfassen, die vor einer Leiterebene angeordnet ist. Der Phasenschieber
umfasst Leitungsdrähte,
die auf einem Träger
angeordnet sind, wobei die Drähte
jeweils wenigstens zwei Halbleiterelemente mit zwei Zuständen aufweisen, beispielsweise
Dioden, die an Leiter angeschlossen sind, die ermöglichen,
den Zustand der Dioden unabhängig
voneinander zu steuern, wobei jede der Dioden im Durchlass- oder
im Sperrzustand sein kann, so dass auf diese Weise vier mögliche Zustände erhalten
werden, wobei die geometrischen und elektrischen Eigenschaften der
Zelle derart sind, dass jedem dieser Zustände ein vorgegebener Phasenverschiebungswert
entspricht. Schließlich
sind zwischen den Zellen Höchstfrequenzentkopplungsmittel
vorgesehen, die insbesondere darin bestehen, zwischen zwei benachbarten
Zellen Wellenleiter zu bilden, deren Wände parallel zur Polarisation
der Welle sind und deren Freiraum derart ist, dass er die Fortpflanzung
der Welle unterbindet.
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Weitere
Ziele, besondere Merkmale und Wirkungen der Erfindung werden aus
der folgenden Beschreibung hervorgehen, die beispielhaft gegeben
ist und durch die beigefügte
Zeichnung veranschaulicht wird. Es zeigen:
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1 das allgemeine Schema
der Antenne gemäß der Erfindung;
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2 eine schematische Draufsicht
des aktiven Reflektors gemäß der Erfindung;
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3 die schematische Schnittansicht
einer Ausführungsform
des aktiven Reflektors;
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4 eine Ausführungsform
einer Höchstfrequenzschaltung,
die in dem aktiven Reflektor verwendet wird;
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5 die Ersatzschaltung der
vorhergehenden Höchstfrequenzschaltung;
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6 eine praktische Ausführungsform
eines Elements, um die Zellen voneinander zu entkoppeln;
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7 eine weitere Ausführungsform
der Höchstfrequenzschaltung,
die die Verwirklichung einer Doppelpolarisationsantenne ermöglicht.
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In
diesen verschiedenen Figuren bezeichnen gleiche Bezugszeichen gleiche
Elemente.
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1 veranschaulicht in schematischer
Weise das Prinzip, das von der Antenne gemäß der Erfindung verwendet wird.
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Die
Antenne ist aus einer Quelle S für
eine Höchstfrequenzwelle
O1 mit linearer Polarisation, parallel zu
einer im Voraus festgelegten Richtung OY, gebildet, die einen aktiven
Reflektor RA anstrahlt, der sich in einer Ebene befindet, beispielsweise
XOY, welche die Richtung OY enthält.
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Der
Reflektor RA ist in 2 von
oben gesehen (in der Ebene XOY) schematisch dargestellt.
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Er
umfasst eine Gruppe von Elementarzellen C, die nebeneinander und
durch die Zonen 20, die für die Höchstfrequenzentkopplung der
Zellen verwendet werden, voneinander getrennt angeordnet sind. Jede
Zelle ist im Stande, die Welle, die sie empfängt, mit einem Phasenwert zu
reflektieren, der gemäß einem
weiter unten beschriebenen Verfahren elektrisch steuerbar ist.
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Folglich
ist es durch Steuern der Phasenverschiebungen, die der von jeder
Zelle empfangenen Welle aufgeprägt
werden, möglich,
wie bekannt ist, ein Höchstfrequenz-Strahlenbündel O2 (1)
in der gewünschten
Richtung zu bilden.
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3 ist eine schematische
Schnittansicht (in einer Ebene YOZ senkrecht zur Ebene XOY) einer Ausführungsform
des aktiven Reflektors RA.
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Der
Reflektor RA ist aus einer Höchstfrequenzschaltung
CH, die die einfallende Welle O1 empfängt, die
beispielsweise im Wesentlichen eben ist, und aus einer Leiterebene
CC gebildet, die im Wesentlichen parallel zur Schaltung CH in einem
im Voraus festgelegten Abstand d zu dieser Letzteren angeordnet
ist.
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Die
Leiterebene CC hat zur Aufgabe, die Höchstfrequenzwellen zu reflektieren.
Sie kann unter Verwendung jedes bekannten Mittels gebildet sein, beispielsweise
aus hinreichend dicht angeordneten parallelen Drähten oder aus einem hinreichend
dichten Gitter oder einer ununterbrochenen Ebene. Die Schaltung
CH und die Ebene CC sind vorzugsweise auf zwei Seiten eines dielektrischen
Trägers 21 vom Typ
der gedruckten Schaltung verwirklicht.
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Der
Reflektor RA umfasst außerdem,
vorzugsweise auf derselben gedruckten Schaltung 32, die
dann eine mehrlagige Schaltung ist, die elektronische Schaltung
(Komponenten und Zwischenverbindungen), die für die Steuerung der Phasenwerte
erforderlich ist. In der Figur ist eine mehrlagige Schaltung gezeigt,
deren Vorderseite 30 die Schaltung CH trägt, deren
Rückseite 31 elektronische
Komponenten 132 trägt
und deren Zwischenlagen die Ebene CC und beispielsweise zwei Ebenen
PI zur Verbindung der Komponenten 132 mit der Schaltung
CH bilden.
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4 zeigt eine Ausführungsform
der Höchstfrequenzschaltung
CH.
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Die
Schaltung CH ist aus elementaren Phasenschiebern D gebildet, die
auf der Oberfläche 30 verwirklicht
sind, wobei sie durch Entkopplungszonen voneinander getrennt sind.
Jeder Phasenschieber D, der dem entsprechenden Teil der Leiterebene CC
zugeordnet ist, bildet eine der Elementarzellen C von 2.
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Ein
Phasenschieber D umfasst einen Draht oder mehrere Drähte F (in 4 nur einen einzigen) im
Wesentlichen parallel zur Richtung OY, die jeder wenigstens zwei
Halbleiterelemente mit zwei Zuständen,
D1 und D2, beispielsweise
Dioden, tragen, die beispielsweise gegenphasig geschaltet sind,
etwa mit ihrer Katode. Die Versorgungsspannung der Dioden D1 und D2 wird über die
mit CD bezeichneten Steuerleitungen zugeführt, die im Wesentlichen parallel
zueinander und senkrecht zu den Drähten F sind. Es gibt davon
wenigstens drei oder vier, wie in der Figur gezeigt ist, derart,
dass die voneinander unabhängige
Steuerung der Dioden sichergestellt ist.
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Die
Phasenschieber D sind von leitenden Zonen umgeben, die in der Nähe ihres
Umfangs, mit 74 bezeichnet in einer Richtung parallel zu
OX und mit 75 bezeichnet in einer Richtung parallel zu
OY, angeordnet sind und für
die Entkopplung verwendet werden, wie weiter unten erläutert wird.
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Die
Leiter CD sind über
metallisierte (41) Löcher 40,
die in der Ebene der leitfähigen
Zonen 75 ausgeführt,
jedoch selbstverständlich
von diesen Letzteren elektrisch isoliert sind (beispielsweise durch
eine Unterbrechung 43 der Zone 75), mit der von
dem Reflektor getragenen elektronischen Schaltung verbunden.
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Der Übersichtlichkeit
der Figuren wegen ist die Oberfläche
der verschiedenen Leiter, die beispielsweise in Form von metallischen
Ablagerungen auf der Oberfläche 30 verwirklicht
sind, schraffiert dargestellt, obwohl sie nicht im Schnitt gesehen
werden.
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Für die Beschreibung
der Funktionsweise einer Zelle ist es zunächst erforderlich, die Ersatzschaltung
eines Phasenschiebers D zu betrachten, wie sie in 5 gezeigt ist.
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Die
einfallende Welle mit einer Polarisation (Vektor des elektrischen
Feldes) senkrecht oder parallel zu OY und zu den Drähten F wird über die
Anschlussklemmen B1 und B2 empfangen
und trifft auf vier in Reihe geschaltete Kapazitäten CO,
CI1 CI2 CI3 die parallel zu den Anschlussklemmen B1 und B2 geschaltet
sind. Die Kapazität
CO repräsentiert
die Streckendurchlassfähigkeit
der Entkopplung zwischen den äußersten
Leitern CF und den leitenden Zonen 74; die Kapazität CI1 ist die Streckendurchlassfähigkeit
zwischen den Leitern CD, die die Diode Dr umgeben, die Kapazität CI3 die Streckendurchlassfähigkeit zwischen den mittigen
Leitern CD und die Kapazität C12 ist die Entsprechung von CI1 für die Diode
D2.
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An
die Anschlussklemmen der Kapazität
CI1 ist die Diode D1 angeschlossen,
die ebenfalls durch ihr Ersatzschaltbild dargestellt ist. Dieses
Letztere umfasst eine Induktivität
L1, die Induktivität der Diode D1 unter
Berücksichtigung
ihres Anschlussdrahts (F), in Reihe mit:
- – entweder
einer Kapazität
Ci1 (Zonenübergangskapazität der Diode)
in Reihe mit einem Widerstand Ri1 (Inverswiderstand),
- – oder
einem Widerstand Rd1 (Durchlasswiderstand
der Diode),
je nachdem, ob die Diode D1 in
Sperrrichtung oder in Durchlassrichtung ist, was durch einen Schalter 21 symbolisiert ist.
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Auf
gleiche Weise ist an die Anschlussklemmen der Kapazität CI2 eine Diode D2 angeschlossen, die durch
ihr Ersatzschaltbild repräsentiert
wird. Dieses Letztere ist jenem der Diode D1 analog, wobei seine
Komponenten den Index 2 tragen.
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Die
Spannung des Höchstfrequenzausgangs wird
zwischen den Anschlüssen
B3 und B4, den Anschlussklemmen
der Kapazitäten
C0, CI1, CI2, CI3, abgegriffen.
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Die
Funktionsweise des Phasenschiebers D ist nachfolgend erläutert, wobei
in einem ersten Schritt das Verhalten einer derartigen Schaltung
bei Abwesenheit der Diode D2 und der mittigen Leiter CD betrachtet
wird, was darauf hinausläuft,
in der Ersatzschaltung von 5 den
Block D2 sowie die Kapazitäten CI2 und CI3 wegzulassen.
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Wenn
die Diode D
1 in Durchlassrichtung betrieben
wird, kann die Suszeptanz (B
d1) der Schaltung von
5 (modifiziert) folgendermaßen geschrieben werden:
wobei Z die Impedanz der
einfallenden Welle und ω die
Kreisfrequenz ist, die der Mittenfrequenz des Betriebsbandes der
Vorrichtung entspricht.
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Die
Parameter der Schaltung werden beispielsweise so gewählt, dass
B
d1 ≅ 0
erhalten wird, d. h. die Schaltung unter Vernachlässigung
ihres elektrischen Leitwertes angepasst ist, oder anders ausgedrückt, dass
sie für
eine einfallende Höchstfrequenzwelle
durchlässig
ist und weder eine störende Reflexion,
noch eine Phasenverschiebung (dϕ
d1 =
0) einführt.
Genauer wird
gewählt, was vor allem unabhängig vom
Wert der Kapazität
C
i1 zu B
d1 ≅ 0 führt.
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Wenn
die Diode D
1 in Sperrrichtung betrieben
wird, kann die Suszeptanz (B
r2) der Schaltung folgendermaßen geschrieben
werden:
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Da
die Kapazität
CI1 im Voraus festgelegt worden ist, wird
offensichtlicht, dass der Wert der Suszeptanz Br1 durch
Einwirken auf den Wert der Kapazität Ci,
d. h. durch die Wahl der Diode D1, eingestellt
werden kann.
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Wenn
nun in einem zweiten Schritt das Vorhandensein der Diode D2 und
der mittigen Leiter CD Berücksichtigung
findet, wird anhand einer Analogbetrachtung ersichtlich, dass zwei
weitere verschiedene Werte für
die Suszeptanz erhalten werden, je nachdem, ob die Diode D2 in Durchlassrichtung oder in Sperrrichtung
betrieben wird.
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Folglich
wird offensichtlich, dass die Suszeptanz BD eines
Phasenschiebers D je nach der Steuerspannung (Betrieb in Durchlassrichtung
oder in Sperrrichtung), die an jeder der Dioden D1 und D2 anliegt,
vier verschiedene Werte aufweisen kann (mit BD1,
BD2, BD3 und BD4 bezeichnet). Diese Werte sind von den
Parametern der Schaltung von 5,
d. h. von den Werten, die für
die geometrischen Parameter (Abmessungen, Formen und Freiräume der
verschiedenen leitenden Oberflächen)
und die elektrischen Parameter (Kennlinien der Dioden) des Phasenschiebers
gewählt
worden sind, abhängig.
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Wenn
nun das Verhalten der gesamten Zelle, d. h. des Phasenschiebers
D und der Leiterebene CC, genau betrachtet wird, muss die Suszeptanz,
die durch die Ebene CC bedingt ist und die wieder in die Ebene des
Phasenschiebers zurückgeführt und
mit B
CC bezeichnet ist, berücksichtigt
werden, wobei sie folgendermaßen
geschrieben werden kann:
wobei λ die Wellenlänge ist, die der Kreisfrequenz ω entspricht.
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Die
Suszeptanz B
C der Zelle ist dann durch
gegeben.
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Es
folgt, dass die Suszeptanz BC vier verschiedene
Werte annehmen kann (mit BC1, BC2,
BC3 und BC4 bezeichnet),
die jeweils den vier Werten von BD entsprechen,
wobei der Abstand d einen zusätzlichen
Parameter für
die Bestimmung der Werte BC1 bis BC4 darstellt.
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Außerdem ist
bekannt, dass die Phasenverschiebung (dφ), die einer Höchstfrequenzwelle
von einer Admittanz Y aufgeprägt
wird, die Form
aufweist. Es wird offensichtlich,
dass bei Vernachlässigen
des Realteils der Admittanz einer Zelle
gilt und je nach der an jeder
der Dioden D
1 und D
2 anliegenden
Steuerspannung vier mögliche
Werte (dφ
1–dφ
4) für
die Phasenverschiebung der Zelle erhalten werden. Die übrigen Parameter
sind so gewählt,
dass die vier Werte dφ
1–dφ
4 beispielsweise gleichmäßig verteilt sind, bei 0, 90°, 180°, 270°, was jedoch
nicht zwingend erforderlich ist.
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Es
ist zu beachten, dass weiter oben der Fall beschrieben worden ist,
in dem die Parameter der Schaltung so gewählt werden, dass die Suszeptanzen
null (oder im Wesentlichen null) jene sind, die den in Durchlassrichtung
betriebenen Dioden entsprechen, jedoch selbstverständlich ein
symmetrischer Betrieb gewählt
werden kann, bei dem die Parameter so bestimmt sind, dass im Wesentlichen
die Suszeptanzen Br verschwinden. Allgemeiner
formuliert: Es ist nicht notwendig, dass eine der Suszeptanzen Bd oder Br null ist,
sondern diese Werte werden so bestimmt, dass die Bedingung der Gleichverteilung
der Phasenverschiebungen dφ1–dφ4 erfüllt
ist.
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Außerdem erfolgen
in dem Fall, in dem die Zelle mehr als einen Draht F umfasst, der
Dioden trägt,
der Betrieb und die Bestimmung der Parameter auf die gleiche An
und Weise, vorbehaltlich der damit verbundenen Modifikation der
Ersatzschaltung und der Berücksichtigung
der Wechselwirkungen zwischen den Drähten mit Dioden.
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Außerdem umfasst
der aktive Reflektor gemäß der Erfindung
Entkopplungsmittel zwischen den Zellen C.
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Die
von den Zellen empfangene Höchstfrequenzwelle
ist parallel zur Richtung OY linear polarisiert. Es wird angestrebt,
dass sich diese Welle nicht in der Richtung OX von einer Zelle zur
anderen fortpflanzt. Um eine derartige Fortpflanzung zu vermeiden
sieht die Erfindung vor, eine leitende Zone 75 anzuordnen,
die im Wesentlichen die Form eines Streifens aufweist und beispielsweise
durch Metallabscheidung auf der Oberfläche 30 zwischen den
Zellen parallel zur Richtung OY hergestellt ist. Dieser Streifen 75 bildet
zusammen mit der Reflektorebene CC, die sich darunter befindet,
einen Raum vom Typ Wellenleiter, dessen Breite gleich dem Abstand
d ist. Gemäß der Erfindung
wird der Abstand d so gewählt, dass
er kleiner als λ/2
ist, wobei davon ausgegangen wird, dass eine Welle, deren Polarisation
parallel zu den Streifen ist, sich in einem solchen Raum nicht fortpflanzen
kann. In der Praxis arbeitet der Reflektor gemäß der Erfindung in einem bestimmten
Frequenzband, und der Abstand d wird so gewählt, dass er kleiner als die
kleinste der Wellenlängen
des Bandes ist. Selbstverständlich
ist es erforderlich, diese Einschränkung bei der Bestimmung der
verschiedenen Parameter für
die Festlegung der Phasenverschiebungen dφ1–dφ4 zu berücksichtigen.
Außerdem muss
der Streifen 75 in der Richtung OX eine Breite e haben,
die ausreicht, damit der an früherer
Stelle beschriebene Effekt deutlich ist. Praktisch kann die Breite
e in der Größenordnung
von λ/15
sein.
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Außerdem kann
in störender
Weise in einer Zelle eine Welle erzeugt werden, deren Polarisation zur
Richtung OZ (senkrecht zu den Richtungen OX und OY) ausgerichtet
wäre. Es
ist gleichermaßen
erstrebenswert, ihre Ausbreitung in Richtung der Nachbarzellen zu
vermeiden.
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Was
die benachbarten Zellen in der Richtung OX anbelangt, so können, wie
in 4 gezeigt ist, die
metallisierten Löcher 40–41 für die Verbindung der
Leiter CD mit der elektronischen Steuerschaltung genutzt werden.
Da diese nämlich
parallel zur Polarisation der Störwelle
sind, entsprechen sie einer Leiterebene, die eine Abschirmung bildet,
wenn sie hinsichtlich der Betriebswellenlängen des Reflektors dicht genug
(mit einem Abstand von einem zum anderen, der sehr viel kleiner
als die Betriebswellenlänge
des Reflektors ist) und folglich zahlreich sind. Wenn diese Bedingung
nicht erfüllt
ist, können selbstverständlich zusätzliche
metallisierte Löcher ausgebildet
werden, die keine Verbindungsfunktion haben. Es wird angemerkt,
dass diese metallisierten Löcher 40–41 vorzugsweise
in der Ebene der Streifen 75 ausgebildet sind, damit die
Funktion der Zellen nicht gestört
wird.
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Schließlich können, was
die benachbarten Zellen in der Richtung OY anbelangt, entweder metallisierte
Löcher
verwendet werden, die den Löchern 40–41 analog
sind, wobei sie jedoch in der Richtung OX ausgerichtet sind, oder
es kann eine ununterbrochene leitende Fläche in der Ebene XOZ angeordnet werden,
wie in 6 veranschaulicht
ist, wo Platten 61 dargestellt worden sind, die sich von
der Ebene CC aus parallel zur Ebene XOZ erstrecken (die Kreuzungsstelle
dieser Platten 61 mit der Oberfläche 30 bildet die
Zonen 74 der 4).
Diese Platten können sich
vorteilhaft über
die Oberfläche 30 hinaus über eine
Höhe erstrecken,
die nicht kritisch ist, wobei sie beispielsweise kleiner als λ/10, gleich λ/10 oder
ein Vielfaches von λ/10
sein kann, um die Entkopplung zu verbessern.
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7 zeigt eine weitere Ausführungsform der
Höchstfrequenzschaltung
CH, die die Verwirklichung einer Doppelpolarisationsantenne ermöglicht.
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In
dieser Figur ist eine einzige Zelle C perspektivisch dargestellt.
Die auf der Oberfläche 30 des Substrats 32 getragene
Phasenverschiebungsschaltung ist nun aus zwei Drähten F1,
F2 gebildet, die jeweils zwei Halbleiterelemente,
wie etwa Dioden (D11, D21,
D12, D22) tragen,
die beispielsweise mit demselben mittigen Leiter 71 verbunden
sind, der seinerseits über
ein metallisiertes Loch 72 mit der elektronischen Steuerschaltung
des Reflektors verbunden ist. Jeder der Drähte mit Diode wirkt hier gemäß dem gleichen
Verfahren, wie es zuvor beschrieben worden ist, unter Berücksichtigung
der Unterschiede in der Geometrie der Leiter nur auf die Wellen
ein, deren Polarisation eine Komponente aufweist, die parallel zu
ihm ist.