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Die
vorliegende Erfindung betrifft eine Antenne, welche eine erste Anordnung
mit mindestens einem Antennenanschluß zur Lieferung eines Speisesignals
in Abhängigkeit
von einem Eingangssignal enthält,
das zu dem mindestens einen Antennenanschluß geliefert wird. Weiter enthält die Antenne
eine zweite Anordnung mit einer Speiseschaltung, welche mit einer
Anzahl von Strahlerelementen gekoppelt ist, die eine Strahlungsapertur,
bestimmen, wobei die Speiseschaltung so mit der ersten Anordnung
gekoppelt ist, daß Energie
zwischen der ersten Anordnung und der Anzahl von Strahlerelementen
gekoppelt wird und wobei die erste und zweite Anordnung so zusammenwirken,
daß ein
Abtastwinkel der Antenne bestimmt wird.
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Wie
in der Technik bekannt ist, enthalten Satelliten-Kommunikationssysteme
einen Satelliten, welcher einen Satellitensender und einen Satellitenempfänger aufweist, über welche
der Satellit Signale zu anderen Kommunikationsplattformen hin überträgt oder
von diesen empfängt.
Die Kommunikationsplattformen in Verbindung mit dem Satelliten sind oft
auf der Erdoberfläche
angeordnet oder, im Falle von flugkörpergetragenen Plattformen,
in einem bestimmten Abstand über
der Erdoberfläche.
Kommunikationsplattformen, mit welchen die Satelliten kommunizieren,
können
beispielsweise als sogenannte Bodenpartner, auf Flugkörpern angeordnete
Stationen (beispielsweise von Flugzeugen oder Hubschraubern getragenen
Partnern) oder als bewegliche Bodenstationen vorgesehen sein (manchmal
als mobile Kommunikationssysteme). Sämtliche dieser Plattformen
werden hier als bodengebundene Plattformen bezeichnet.
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Um
die Übertragung
von Hochfrequenzsignalen (RF-Signalen) zwischen dem Satelliten und den
bodengebundenen Plattformen zu ermöglichen, verwenden die bodengebundenen
Plattformen eine Empfangsantenne, welche beispielsweise von dem Satelliten
her Signale empfängt
und die empfangenen Signale an eine Empfängerschaltung in der bodengebundenen
Plattform überkoppelt.
Die bodengebundenen Plattformen können auch einen mit einer Sendeantenne
gekoppelten Sender enthalten. Der Sender erzeugt Hochfrequenzsignale,
welche zu der Sendeantenne übergeben
werden und nachfolgend in Richtung auf das Satelliten-Kommunikationssystem
ausgesendet werden. Die Sende/Empfangsantennen, welche in den bodengebundenen
Plattformen verwendet werden, müssen
daher in der Lage sein, einen Kommunikationsweg zwischen dem Sender
und Empfänger
der bodengebundenen Plattform und dem Sender und Empfänger des
Satelliten herzustellen.
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Zur
Herstellung einer Verbindung zwischen einem oder mehreren Satelliten
und der bodengebundenen Plattform muß die Antenne auf der Seite der
bodengebundenen Plattform in der Lage sein, den Antennenausrichtungsstrahl
zuerst auf den Satelliten auszurichten und ihm dann zu folgen. Eine
Art von Antenne, welche in der Lage ist, den Antennenstrahl in einer
Abtastbewegung zu führen,
ist eine elektronisch steuerbare phasengesteuerte Gruppenantenne
(ESA). Ein Problem bei elektronisch steuerbaren Gruppenantennen
besteht jedoch darin, daß sie
verhältnismäßig groß und teuer
sind. Dem gemäß sind elektronisch
steuerbare Gruppenantennen typischerweise nicht für die Verwendung
mit bodengebundenen Plattformen verwendbar, welche häufig von
einem Ort zu einem anderen Ort bewegt werden.
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Obwohl
elektronisch gesteuerte Gruppenantennen in der Lage sind rasch die
Position des Richtstrahls der Antenne zu ändern, liefern weiterhin solche
Antennen nur einen einzigen Antennenrichtstrahl zu einem bestimmten
Augenblick. Somit erlauben elektronisch gesteuerte Antennengruppen
nur die Kommunikation mit einem Satelliten zu einer bestimmten Zeit.
Anders ausgedrückt
gestatten elektronisch gesteuerte Gruppenantennen nur eine sequentielle
Kommunikation mit den Satelliten.
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In
einem Artikel mit dem Titel „Electronically Scanned
Millimenter Wave Antenna Using a Rotman Lens"; in Radar 97, 14. bis 16. Oktober 1997,
IEE Conference Publication Nr. 449, Seiten 374 bis 378, beschreiben
E.O. Rausch, A. P. Peterson und W. Wiebach eine Antenne der hier
eingangs definierten Art, bei welcher die erste Anordnung aus einer
Schaltergruppe in Verbindung mit einer Wellenleitungsverzweigung, und
die zweite Anordnung aus einer Rotmanlinse besteht, welche mit einer
weiteren Wellenleitungsverzweigung gekoppelt ist, welche eine Gruppe
von 34 Strahlerelementen speist, wobei jedes Element eine Hornantenne
ist. Die Rotmanlinse besteht aus einem Parallelplattenbereich mit
Wellenleitungsanschlüssen,
welche um den Rand der Platten verteilt sind. Strahlformungs- oder
Fokussierungsteile sind an einer Seite der Platten vorgesehen und
diese Anschlüsse
werden durch die Schaltergruppe gespeist. Energie, welche in einen
bestimmten Fokussierungsanschluß eingespeist
wird, tritt von den Strahlerelementen als ein Strahl aus, der sich
in einer bestimmten Richtung ausbreitet. Die elektronische Steuerung
des Strahls geschieht durch Schalten der Eingangsenergie von einem
fokussierenden Anschluß zu
einem anderen, so daß der
Strahl in einer Dimension eine Abtastbewegung ausführen kann.
Der maximale Abtastwinkel ist ± 22,2
Grad und die Frequenz liegt in dem K-Band (33 bis 37 GHz). Der Übertragungsmodus
in dem Linsenbereich ist der TEM-Modus, wandelt sich jedoch in den TEM1s-Modus in den Gruppenanschlüssen um,
welche mit den Antennenelementen verbunden sind. Es sei bemerkt,
daß eine
Strahlverschiebung in Abhängigkeit
von der Frequenz vollständig
durch Neukonstruktion der Linse beseitigt werden kann, so daß der TEM-Modus über die
Linsenkonstruktion hin gilt. Jedoch resultiert die beschriebene
Linsenkonstruktion in einer Abtastbewegung in Abhängigkeit
von der Frequenz von 0,7 Grad je GHz.
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Eine
sequentielle Betätigung
wird in Kommunikationssystemen verwendet, welche eine sogenannte „Trennung
vor Herstellung" -Möglichkeit
vorsehen. Bei dieser Art eines Kommunikationssystems unterbricht
eine bodengebundene Plattform die Kommunikation mit einem Satelliten,
bevor sie die Kommunikation mit einem anderen Satelliten herstellt. Solche
Kommunikiationssysteme können
Antennensysteme mit einem einzigen Richtstrahl (beispielsweise eine
elektronisch steuerbare Gruppenantenne) verwenden, welche jeden
Satelliten der Reihe nach erfaßt.
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Einige
Kommunikiationssysteme erfordern jedoch die sogenannte Möglichkeit „Herstellung
vor Unterbrechung".
Bei „Herstellung
vor Unterbrechung" -Kommunikationssystemen
unterbricht eine bodengebundene Plattform die Kommunikation mit ei nem
Satelliten nicht, bevor sie nicht die Kommunikation mit einem anderen
Satelliten hergestellt hat. Um mit mehreren Satelliten gleichzeitig
zu kommunizieren muß die
bodengebundene Plattform ein Antennensystem haben, welches gleichzeitig
eine Mehrzahl von Antennenrichtstrahlen erzeugt. Da elektronisch
gesteuerte Gruppenantennen nur einen einzigen Richtstrahl erzeugen
können,
ist es zur Erzeugung von zwei Strahlen notwendig, daß die bodengebundene
Plattform zwei elektronisch gesteuerte Gruppenantennen aufweist.
Aus diesem Grunde können
Kommunikationssysteme, welche elektronisch gesteuerte Gruppenantennen
verwenden und welche die Möglichkeit
einer Verbindungsherstellung vor Unterbrechung einer anderen Verbindung
aufweisen, unannehmbar teuer sein.
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Herkömmliche
bodengebundene Plattformen verwenden frequenzabhängig abtastende Antennen. In
einer frequenzabhängig
abtastenden Antenne ist die Antennenstrahlposition (auch als Antennenabtastwinkel
zu bezeichnen) in der Änderung
abhängig
von der Änderung
der Betriebsfrequenz der Antenne. Da die Position eines einzelnen
Satelliten verhältnismäßig konstant
ist, kann, wenn einmal ein Kommunikationsweg zwischen der Satellitenantenne und
der Antenne der bodengebundenen Plattform hergestellt ist, die Änderung
des Abtastwinkels oder Einstellwinkels der Antenne der bodengebundenen Plattform
in einem Verlust der erzeugten Verbindung resultieren. Somit ist
es im allgemeinen nicht wünschenswert,
daß sich
der Abtastwinkel ändert,
wenn einmal ein Kommunikationsweg hergestellt ist.
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Um
zu verhindern, daß sich
der Einstellwinkel oder Abtastwinkel ändert, müssen frequenzabtastende Antennen
in einem verhältnismäßig engen
Frequenzband arbeiten. Unterschiedliche Kommunikationssysteme arbeiten
jedoch bei unterschiedlichen Frequenzen, die über einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich
verstreut sind (beispielsweise die Frequenzbandbereiche des K-Bandes
und des Ka-Bandes). Da frequenzabhängig abtastende Antennen nur
in einem verhältnismäßig schmalen
Frequenzband arbeiten, sind solche Antennen typischerweise nur mit
einem einzigen Satelliten-Kommunikationssystem kombinierbar (d.h.,
einem einzigen System, welches über
ein verhältnismäßig schmales
Frequenzband hin arbeitet). Dieses erfordert typischerweise eine unterschiedliche
Antenne für
jede verschiedene bodengebundene Plattform, die mit unterschiedlichen
Satelliten-Kommunikationssystemen zusammenarbeitet.
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Es
wäre daher
wünschenswert,
eine zuverlässig
arbeitende Antenne zu schaffen, welche verhältnismäßig billig und kompakt im Vergleich
zu den Kosten und der Größe einer
elektronisch gesteuerten Gruppenantenne ist. Es wäre weiter
wünschenswert, eine
Antenne zu schaffen, welche mit einem bodengebundenen Terminal,
einer flugkörpergetragenen Station,
beispielsweise einem Flugzeug oder einem Hubschrauber, einer mobilen
Bodenstation, beispielsweise einem HUMV oder dergleichen zusammenarbeiten
kann. Es wäre
weiterhin wünschenswert,
eine Antenne zu schaffen, die über
einen verhältnismäßig breiten
Frequenzbereich hin arbeitet und gleichwohl einen Antennenrichtstrahl
erzeugt, der über
den gesamten Frequenzbereich hin steuerbar ist, so daß die Antenne
mit vielen verschiedenen Satelliten-Kommunikationssystemen zusammenarbeiten
kann, von denen jedes mit einer unterschiedlichen Frequenz in dem
Betriebsfrequenzbereich der Antenne arbeitet.
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Gemäß der vorliegenden
Erfindung ist eine Antenne der zuvor eingangs beschriebenen Art
dadurch gekennzeichnet, daß die
erste Anordnung eine untere Plattenanordnung ist und das Speisesignal
an eine erste Oberfläche
der unteren Plattenanordnung geführt
wird, daß die
zweite Anordnung eine obere Plattenanordnung ist und daß die obere
Plattenanordnung drehbar auf der ersten Oberfläche der unteren Plattenanordnung
angeordnet ist, so daß die Speiseschaltung
Energie zwischen der unteren Plattenanordnung und der genannten
Anzahl von Strahlerelementen überkoppelt
und eine Position der Speiseschaltung auf der oberen Plattenanordnung
relativ zu der unteren Plattenanordnung den Abtastwinkel der Antenne
bestimmt. Mit dieser besonderen Anordnung wird eine Antenne geschaffen,
welche in der Lage ist, eine Abtastbewegung ihres Antennenrichtstrahls
durch Ändern
des Winkels zwischen der Speiseschaltung auf der oberen Plattenanordnung
und der unteren Plattenanordnung zu erzeugen. Die untere und die
obere Plattenanordnung können
durch Parallelplatten-Wellenleitungen gebildet werden. Die Wellenleitungen
in der unteren Plattenanordnung und der oberen Plattenanordnung
sind ausgerichtet und die Speiseschaltung in der oberen Plattenanordnung
kann als Lini enkoppler (beispielsweise ein Schlitz) ausgebildet
sein, welcher Energie zwischen der Parallelplatten-Welleinleitungs-Übertragungsleitung
und einer zugehörigen
Einspeisung überkoppelt.
Der Winkel, unter welchem der Linienkoppler Speisesignale auf der
unteren Plattenanordnung aufnimmt, bestimmt den Antennenabtastwinkel
in der Elevationsebene. Somit bewirkt eine Änderung des Winkels, unter
welchem der Linienkoppler Speisesignale an der unteren Plattenanordnung
aufnimmt, Änderungen
des Antennenabtastwinkels in der Elevationsebene.
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Die
Erfindung wird nunmehr im einzelnen beispielsweise unter Bezugnahme
auf die begleitenden Zeichnungen beschrieben. In diesen stellen
dar:
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1 eine
perspektivische, teilweise Explosionsdarstellung einer mechanisch
steuerbaren, frequenzunabhängigen
Gruppenantenne gemäß einer Ausführungsform
der Erfindung;
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2 eine
perspektivische Explosionsdarstellung der mechanisch steuerbaren,
frequenzunabhängigen
Gruppenantennen nach 1;
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3 eine
Aufsicht auf eine Strahlformungslage;
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4 eine
Querschnittsdarstellung der Strahlformerlage gemäß 3 entsprechend
der in 3 angedeuteten Schnittlinie 4-4;
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4A eine
Detailansicht eines Teiles der Strahlformerlage nach den 3 und 4;
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5 eine
schematische Abbildung einer zusammenwirkenden Einspeisestruktur
einer Art, wie sie in der Antenne von 1 verwendet
wird;
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5A eine
schematische Querschnittsansicht einer mechanisch steuerbaren, frequenzunabhängig arbeitenden
Gruppenantenne;
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6 eine
perspektivische Explosionsdarstellung einer unteren Plattenanordnung
und einer Linienkoppleranordnung;
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6A eine
Aufsicht auf eine untere Plattenanordnung mit einer darauf vorgesehenen
Leitungskoppleranordnung oder Linienkoppleranordnung;
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6B eine
Diagrammansicht der Verteilung der Amplitude des elektrischen Feldes
der unteren Plattenanordnung und der Linienkoppleranordnung von 6A aufgetragen über dem
Abstand über
die untere Plattenanordnung und die Linienkoppleranordnung hin;
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7 eine
Aufsicht auf die untere Plattenanordnung;
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8 eine
Querschnittsansicht der unteren Plattenanordnung entsprechend der
in 7 angedeuteten Schnittlinie 8-8;
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9 eine
Detail-Querschnittsansicht der unteren Plattenanordnung gemäß der Darstellung von 8;
und
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10 eine
schematische Ansicht einer Speiseschaltung nach dem Pillendosenprinzip.
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DETAILIERTE
BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Es
sei nun auf 1 Bezug genommen. Eine Antenne 10 enthält eine
untere Plattenanordnung 12 mit einer Oberfläche 12a und
einem Paar von Antennenanschlüssen 14a, 14b.
In einer besonderen Ausführungsform
entspricht je einer der Antennenanschlüsse 14a und 14b je
einem Speiseanschluß für eines
von zwei orthogonalen Hochfrequenzsignalen (RF) (beispielsweise
gerichteten elektrischen Feldern Ex, Ey).
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Die
untere Plattenanordnung ist mit einem Paar von leitfähigen Platten 16, 18 versehen,
welche ein Paar von Parallelplatten-Wellenleitungsübertragungswegen
ausbilden, wie weiter unten in Verbindung mit den 7 bis 9 beschrieben
wird. Ein Bauteil 20, das von der Oberseite 12a der
unteren Plattenanordnung 12 vorsteht, enthält einen
Wellenleitungs-Übergangsschaltkreis.
In einer Ausführungsform
ist der Wellenleitungs-Übergangsschaltkreis
als eine 90° Biegung
ausgebildet, wie weiter unten in Verbindung mit 9 beschreiben
wird. Es genügt
hier die Feststellung, daß der
Wellenleitungs-Übergangsschaltkreis
Signale von den Wellenleitungs-Übertragungswegen,
die in den Platten 16 und 18 ausgebildet sind,
durch das Teil 20 und in die Wellenleitungsübertragungswege
hineinkoppelt, welche zu den Wellenleitungsaperturen 22a, 24a fuhren, die
in den Bauteil 20 vorgesehen sind. Somit erzeugen Signale,
welche in die Anschlüsse 14a und 14b eingeführt werden,
ein Einspeisungssignal, das sich über den durch die Platten 16 und 18 gebildeten Übertragungsweg
und durch einen Übergangsschaltkreis
in dem Teil 20 ausbreitet und über die Öffnungen 22a, 24a in
einem Anregungsbereich 25 der unteren Plattenanordnung 12 emittiert
wird. Das so gebildete Speisesignal bewirkt eine gleichförmige Anregung
des Anregungsbereiches oder Speisebereiches 25.
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Eine
obere Plattenanordnung 26 besitzt eine bestrahlende Schicht 28 mit
einer Vielzahl von Strahlerelementen, welche allgemein mit 30 bezeichnet sind
und darauf angeordnet sind. Die Strahlerelemente 30 können einer
Art sein, wie sie in den US-Patenten No. 5,483,248 und 5,995,055
beschrieben sind, welche beide auf den Übertragungsempfänger der
vorliegenden Erfindung übertragen
sind und welche beide durch Bezugnahme in die Gesamtheit hier einbezogen
seien. Die obere Plattenanordnung 26 enthält einen Übertragungsweg 31,
welcher das Speisesignal aufnimmt, das von den Wellenleitungsöffnungen 22a, 24a in
der unteren Plattenanordnung 12 herbeigeführt wird.
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Der Übertragungsweg 31 wird
hier von einem Paar von Wellenleitungs-Übertragungsleitungen mit Öffnungen 32 und 33 gebildet.
In einer Ausführungsform
werden die Wellenleitungs-Übertragungsleitungen
durch ein Paar von leitfähigen
Platten gebil det, welche Parallelplatten-Wellenleitungen darstellen.
Wenn die obere Plattenanordnung 26 auf die Oberfläche 12a der
unteren Plattenanordnung 12 aufgesetzt ist, dann decken
sich die Öffnungen 32 und 33 mit
den Öffnungen 22a und 24a,
welche in dem Bauteil 20 vorgesehen sind.
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Die
Position der oberen Plattenanordnung 26 relativ zu der
unteren Plattenanordnung 12 bestimmt den Abtastwinkel des
Hauptantennenstrahles oder der Hauptstrahlungskeule 31a in
einer Elevationsebene (d. h., den Winkel θ), wie in dem kartesischen
Koordinatensystem von 1 gezeigt ist. Sinngemäß bewirkt
eine Drehung der oberen Plattenanordnung 26 relativ zu
der unteren Plattenanordnung 12 (beispielsweise eine Drehung
im Uhrzeigersinn oder entgegen dem Uhrzeigersinn der oberen Plattenanordnung 26 in
der x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems von 1)
eine Abtastbewegung des Antennenstrahls 31a in der Elevationsebene.
Es sei bemerkt, daß die
Position des Antennenstrahls oder der Hauptstrahlungskeule 31a sich
nicht in Abhängigkeit
von einer Änderung
der Betriebsfrequenz der Antenne 10 ändert.
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Eine
Drehung von beiden Plattenanordnungen 12 und 26 (d.h.,
eine Drehung in der x-y-Ebene des kartesischen Koordinatensystems
von 1) resultiert in einer Bewegung des Antennenstrahls
in der Azimut-Richtung (d. h., die φ-Richtung, wie sie in dem Koordinatensystem
von 1 eingezeichnet ist). Da die Elevationsstrahlrichtung
und die Azimut-Strahlrichtung orthogonal sind, kann die Antenne
einen konischen Raum abtasten. In einer besonderen Ausführungsform
tastet die Antenne 10 ein konisches Volumen oder einen
konischen Raum von etwa 50° ab.
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Die
Parallelplatten-Wellenleitungsübertragungsleitungen,
welche in der oberen Plattenanordnung 26 ausgebildet sind,
bieten sich als relativ breite Wellenleitungen dar und dem gemäß ist es
möglich, ein
quasi transversales elektromagnetisches Speisefeld (TEM) anzuregen,
welches ein Feld mit relativ niedrigem Verlust ist. Im Idealfall
ist es wünschenswert,
die gesamte kreisförmige Öffnung der
Antenne 10 anzuregen, da, wenn die gesamte kreisförmige Apertur
angeregt wird, es möglich
ist, ein Fernfeld-Strahlungsmuster zu erreichen, das einen Hauptstrahl
oder eine Hauptstrahlungskeule und eine Serie von Nebenstrahlungskeulen
aufweist, wobei eine erste Nebenstrahlungskeule einen Pegel von
annähernd
17 dB unterhalb der Hauptstrahlungskeule hat. Wegen der quasi TEM-Eigenschaft
des Speisesignals werden nahezu sämtliche der Strahlerelemente 30 angeregt.
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Der
Abtastmechanismus bedient sich keiner aktiven Komponenten und somit
ist die Antenne 10 eine verhältnismäßig billige Antenne. Weiter
kann die Antenne als ein verhältnismäßig kompaktes
Antennenbauteil mit einem verhältnismäßig niedrigen
Profil ausgebildet werden. In einem Beispiel ist der Abstand von
einer Unterseite der unteren Plattenanordnung 12 zu der
Oberseite der strahlenden Schicht 28, auf welcher sich
die Antennen-Strahlerelemente 30 befinden, annähernd 3
Zoll oder 76,2mm.
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Wenn
die Antenne 10 als Teil eines Kommunikationssystem vorgesehen
ist, dann können
die Antennen-Wellenleitungsanschlüsse 14a und 14b mit
einem Multiplexer oder mehreren Multiplexern oder mit einem Empfänger oder
mehren Empfängerschaltungen
oder mit einer Senderschaltung oder mit mehreren Senderschaltungen
gekoppelt sein. In einer Ausführungsform
ist ein erster der Antennenanschlüsse 14a, 14b mit
einer Empfängerschaltung
gekoppelt und ein zweiter der Antennenanschlüsse 14a, 14b ist
mit einer Senderschaltung gekoppelt. In dieser Weise kann die Antenne 10 gleichzeitig
Sende-Abtaststrahlen und Empfangs-Abtaststrahlen erzeugen, (d. h.
die Antenne 10 kann als vollwertige Duplexantenne ausgebildet
sein).
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In
einer Anwendung kann die Antenne 10 als Bodenstationsantenne
für Internet-Kommunikationen mit Übergabeanforderungen „Unterbrechung
vor Erstellung" arbeiten.
In einer solchen Anwendung kann es wünschenswert sein, zwei solche
Antennen 10 zu verwenden, wobei jede eine Vollwertige Duplex-Betreibseigenschaft
besitzt, so daß jede
Antenne eine vollwertige Duplex-Signalstrahlmöglichkeit zu einem Satellitenterminal
hat. Eine erste der Antennen kommuniziert mit dem Satelliten und
eine zweite der Antennen ist mit anderen Bodenstationen über gleiche
Internetverbindungen gekoppelt. Da jede Antenne gleichzeitig mit
unterschiedlichen Frequenzen senden und empfangen kann, bewegen
sich Signale in entgegengesetzte Richtungen zur selben Zeit.
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Da
der Abtastwinkel von der Antennenfrequenz unabhängig ist, kann die Antenne
in einem Satelliten-Kommunikationssystem oder anderen Kommunikationssystemen über einen
verhältnismäßig breiten
Frequenzbereich hin arbeiten. In einer Ausführungsform der Antenne ist
diese mit einer Betriebsbandbreite von 55% versehen.
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Durch
Vorsehen der Übertragungswege
zwischen den Antennenanschlüssen 14a und 14b und den
Strahlerelementen 30 in Gestalt der Parallelplatten-Wellenleitungen
und durch Verwendung von Übergangsschaltungen
und Kopplerschaltungen verhältnismäßig niedrigen
Verlustes wird eine Antenne 10 geschaffen, die verhältnismäßig niedrige Übertragungsverluste
und Streuverluste hat. Außerdem
ist die aktive Apertur der Antenne kreisförmig und wird in der verfügbaren Fläche voll
ausgenützt.
Durch Ausbilden der Antenne als eine solche niedrigen Verlustes
und durch wirksames Ausnutzen der verfügbaren Antennenapertur ist
es möglich,
ein Kommunikationssystem zu schaffen, welches bei Benutzung der Antenne
nur einen einzigen Sendeverstärker
und Empfangsverstärker
benötigt
und somit die Kompliziertheit und die Kosten vermeidet, die mit
einer ESA-Antenne verbunden sind.
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Es
versteht sich, daß jeder
der Antennenanschlüsse 14a und 14b gesondert
mit den Strahlerelementen 30 auf der strahlenden Schicht
gekoppelt ist. Die dualen Polarisationen können zugeführt und gesondert angekoppelt
werden.
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Beispielsweise
kann ein erstes Signal mit einer ersten Polarisation, beispielsweise
ein Signal Ex mit einer x-Richtung des elektrischen Feldes, an den Anschluß 14a geführt werden.
In gleicher Weise kann ein zweites Signal mit einer zweiten Polarisation,
beispielsweise ein Signal Ey mit einer y-Richtung des elektrischen
Feldes an den Anschluß 14b geführt werden.
Das erste Signal und das zweite Signal werden in der Antenne 10 von
den Anschlüssen 14a bzw. 14b über den
ganzen Weg zur Antennenapertur an der strahlenden Schicht 28 getrennt
behandelt. Es ist somit möglich,
das erste Signal und das zweite Signal (beispielsweise an den Anschlüssen 14a und 14b)
zu kombinieren. In dem Fall, in welchem das erste Signal und das
zweite Signal orthogonal gerich tete Signale (beispielsweise Ex,
Ey) sind, können
die Signale so kombiniert werden, das ein Signal erzeugt wird, das
eine beliebige Polarisation einschließlich einer zirkularen Polarisation
aufweist.
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Es
sei nun auf 2 Bezug genommen, in welcher
gleiche Bauteile des Antennensystems 10 von 1 auch
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind, wobei die obere Plattenanordnung 26 die Strahlerschicht 28 aufweist
(die Strahlerelemente 30 sind aus Übersichtlichkeitsgründen weggelassen). Die
Strahlerschicht 28 kann beispielsweise aus einem dielektrischen
Substrat gebildet sein, das eine erste Oberfläche aufweist, auf der eine
Anzahl von Strahlerelemten (30) eingebettet oder in anderer Weise
darauf angeordnet oder darin vorgesehen ist. In einer Ausführungsform,
die nachfolgend in Verbindung mit 5A beschrieben
wird, ist die Strahlerschicht 28 aus einer Schaumschicht
(beispielsweise aus offenzelligem oder geschlossenzelligem Schaum)
gebildet, über
welcher einer Kaptonschicht angeordnet ist. Die Strahlerelemente 30 sind
auf der Kaptonschicht angeordnet.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
sind die Strahler 30 als leitfähige Blöcke ausgebildet, die mit der
Strahlerschicht 28 verklebt oder in anderer Weise verbunden
sind. Die leitfähigen
Blöcke
können durch
einen Bearbeitungsprozess gebildet werden oder durch Herstellung
der Strahler 30 auf der dielektrischen Strahlerschicht 28 durch
einen hinzufügenden
Prozess, beispielsweise Metallablagerungstechniken, oder über einen
abtragenden Prozess, beispielsweise einen Musterbildungsprozess
oder ein abtragendes Ätzen.
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Die
Strahlerschicht 28 ist über
einer ersten Oberfläche
einer Erdungsebenenschicht 36 angeordnet. Die Erdungsebenenschicht 36 hat
einander gegenüberliegende
erste und zweite leitfähige
Oberflächen 36a und 36b.
Die Erdungsebenenschicht 36 kann beispielsweise aus einer
leitfähigen
Platte oder aus einem dielektrischem Bauteil mit metallisierten Oberflächen 36a und 36b gebildet
sein. Die Erdungsebenenschicht ist über einer oberen Speiseschaltung 37 angeordnet,
die wiederum über
einer ersten Oberfläche
einer rotierenden Linienkopplerschaltung 46 gelegen ist,
welche eine darin gebil dete Linienspeisung 48 aufweist.
Die obere Speiseschaltung 37 in Verbindung mit der Linieneinspeisung 48,
die in der rotierenden Linienkopplerschaltung 46 vorgesehen ist,
liefert Speisesignale an die Strahlerelemente 30 auf der
Strahlerschicht 28.
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Bei
dieser besonderen Ausführungsform wird
die obere Speiseschaltung 37 von einem Paar von Spalten-Strahlformerschichten 38 und 42 gebildet.
Die Schichten 38 und 42 koppeln jeweils Speisesignale
einer vorbestimmten Polarisation von der Linieneinspeisung 48 ab
und liefern die Speisesignale an die Strahlerelemente 30.
In dieser Weise können Hochfrequenzsignale
mit unterschiedlichen Polarisationen eingespeist und getrennt an
die Strahlerelemente 30 angekoppelt werden. Die Antenne 10 kann somit
auf Signale einer vorbestimmten unterschiedlichen Polarisation ansprechen.
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Wie
in 2 gezeigt ist, koppeln die Schichten 38 und 42 jeweils
Signale von der Linieneinspeisung 48 ab und liefern die
Speisesignale an die Strahler über
einzelne Spalten 40 und 44, die jeweils in den
Schichten 38 und 42 vorgesehen sind. Jede der
Schichten 38 und 42 ist also mit einer Anzahl
einzelner Spalten 40 bzw. 44 versehen, die Speisesignale
an vorbestimmte der Strahlerelemente 30 auf der Strahlerschicht 28 liefern.
Nur einige der Spalten 40 und 44 sind hier gezeigt,
wobei die übrigen
Spalten aus Gründen
der Klarheit weggelassen sind. Wie weiter unten in Verbindung mit
den 3 bis 5A beschrieben wird, sind die
Schichten 38 und 42 aus einem leitfähigen Material
hergestellt und bilden eine binomische Speiseschaltung. Alternativ
können
die Schichten als metallisierte dielektrische Schichten ausgebildet
sein (beispielsweise metallisierte Kunststoffschichten).
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Zwar
ist vorliegend die obere Speiseschaltung 37 als aus einem
Paar von Schichten 38, 42 gebildet wiedergegeben,
doch erkennt man, daß bei
anderen Ausführungsformen
es wünschenswert
sein kann, die Speiseschaltung 37 aus einer einzigen Schicht
zu bilden anstatt eine Mehrzahl von Schichten vorzusehen. Gemäß einer
weiteren Alternative kann es in bestimmten Anwendungsfällen wünschenswert
oder notwendig sein, die obere Speiseschaltung 37 aus mehr
als zwei Schichten zu bilden. Die Speiseschaltung 37 kann
mit einer beliebigen Anzahl von Schichten ausgebildet sein, solange
die Speiseschaltung 37 in der Lage ist, ein Speisesignal von
der rotierenden Linienkoppleranordnung 46 zu den Strahlerelementen 30 auf
der Strahlerschicht 28 zu überkoppeln.
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Es
ist von Wichtigkeit, daß die
rotierende Linienkopplerschaltung 46 mit Bezug auf die
untere Plattenanordnung 12 beweglich ist. Ein Ausrichtmechanismus 49,
der hier als ein Stift oder ein anderes Bauteil gezeigt ist, welches
von der Oberfläche 12a und
von dem Bereich 25 der unteren Plattenanordnung aufragt,
richtet die rotierende Linienkopplerschaltung 46 mit der
unteren Plattenanordnung 12 aus. In einer Ausführungsform
sind die Schichten 28, 36, 38, 42 und 46 so
kombiniert, daß sie
die obere Plattenanordnung 26 bilden, die drehbar in dem
Anregungsbereich 25 der unteren Plattenanordnung 12 gelegen
ist.
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Man
erkennt, daß die
Antenne nach der vorliegenden Erfindung somit einen verhältnismäßig einfachen
Kopplungsmechanismus von einer Linienquelle zu einer Parallelplatten-Wellenleitung
für einen einzelnen
Schlitz verwendet, der wiederum eine zusammenwirkende Einspeisung
mit gleichen Weglängen
versorgt, welche ein Speisesignal an jedes Antennenelement liefert.
Außerdem
benutzt die Antenne einen echten Zeitverzögerungs-Kopplungsmechanismus,
so daß dann,
wenn die Betriebsfrequenz der Antenne sich ändert, die Antennenstrahlposition gleich
bleibt. Das bedeutet, der Antennenstrahl 31a (1)
hat bei allen Antennenbetriebsfrequenzen für eine gegebene mechanische
Abtastposition dieselbe räumliche
Lage.
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Mit
der in Verbindung mit den 1 und 2 beschriebenen
Lösung
kann eine lineare Phasenverteilung längs der Reihen von Strahlerelementen
erreicht werden und die obere Anordnung von Spalten-Strahlformern
schafft eine gleichphasige Verteilung. Die gleichen Weglängen (weiter
unten in Verbindung mit 5 beschrieben) resultieren in
einer Antenne mit einer verhältnismäßig großen Bandbreite.
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Es
sei nun auf die 3, 4 und 4A Bezug
genommen, in welchen gleiche Teile von den 1 und 2 auch
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Eine Strahlformerschicht 38,
welche einer Bauart sein kann, wie sie oben in Verbindung mit 2 beschrieben
wurde, enthält
eine Mehrzahl von leitfähigen
Schichten. Vorliegend sind zwölf
leitfähige
Schichten 50 bis 68 vorgesehen, in welchen Kanäle oder Öffnungen 69 geformt
oder in anderer Weise gebildet sind, um eine Strahlformerschaltung zu
erhalten. Speisesignale breiten sich durch die Kanäle 69 zu
den Strahlerelementen 30 (1) aus. Während zwölf leitfähige Schichten 50 bis 68 vorliegend
gezeigt sind, erkennen die Fachleute, daß weniger oder mehr als zwölf Schichten
verwendet werden können.
Die spezielle Anzahl von Schichten, die bei einer bestimmten Anwendung
eingesetzt wird, wird in Entsprechung mit einer Vielfalt von Faktoren bestimmt
einschließlich
der Größe, Gestalt
und der Zahl der Strahlerelemente in der Antenne, wobei jedoch keine
Beschränkung
auf diese Faktoren gegeben ist. Andere Faktoren berücksichtigen
die Kosten und die Kompliziertheit der Herstellungstechniken, welche
zur Bildung der Strahlformerschichten 38 und 42 eingesetzt
werden.
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Die
Schichten 50 bis 68 können aus einem leitfähigen Material
(beispielsweise aus Metall, wie Kupfer oder anderes geeignetes Leitermaterial)
gebildet sein, das zur Ausbildung leitfähiger Wände einer Übertragungsleitung (beispielsweise
eines Kanales wie der Kanal 69) geeignet ist, durch welche Hochfrequenzsignale
sich mit verhältnismäßig niedrigen Übertragungsverlusten
ausbreiten. Alternativ können
die Schichten 50 bis 68 auch aus nicht leitendem
Material (beispielsweise ein dielektrisches Material wie PTFE oder
ein Kunststoff oder ein struktureller Schaum) hergestellt und darin
Kanäle 69 gebildet
werden, welche sodann unter Verwendung eines geeigneten Leitermaterials
metallisiert werden, das dazu geeignet ist, leitfähige Wände der
Signalübertragungswege 69 auszubilden,
so daß Hochfrequenzsignale
sich dort hindurch mit relativ niedrigen Übertragungsverlusten ausbreiten
können.
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In
einer bestimmten Ausführungsform
sind in den Schichten 50 bis 68 Spaltenkoppler,
Spalten-Strahlformer und Einheitszellenkoppler 44 ausgebildet.
Die Spaltenkoppler bilden einen Übergang in
die Spalten-Strahlformer. Die Spalten-Strahlformer erzeugen eine
echte Zeitverzögerung
bei gleicher Phasenverteilung mit einer Amplitudenverteilung von cos(Pd/4).
Die Einheitszellenkoppler 44 sind als Vertikalaustritte
wirksam und bilden einen Übergang
zu den Einheitszellen-Strahlerelementen 30. Die Strahlerelemente 30 sind
als duale Orthogonal-CTS-Radiatoren ausgebildet und sind eine Schnittstelle
in Gestalt einer phasengesteuerten Gruppe zum freien Raum hin.
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Es
sei nun auf 5 Bezug genommen. Eine gesamtheitliche
Speisestruktur 70 ist aus einer Anzahl von gemeinsamen
Speiseschaltungen 70a bis 70N gebildet, die in
jedem Quadranten der Antenne 10 angeordnet sind, wobei
in 5 nur ein Antennenquadrant dargestellt ist. Die
gesamtheitliche Speisestruktur 70 kann der Bauart sein,
welche in den Strahlformerschichten vorgesehen ist, die oben in
Verbindung mit den 3 bis 4A behandelt wurden.
Jede der gemeinsamen Speiseschaltungen 70a bis 70N wird
einem entsprechenden einer Anzahl von Einspeisungspunkten 72a bis 72N gespeist. Jede
der gemeinsamen Speiseschaltungen 70 wird von einer Anzahl
von Leistungsaufteilerschaltungen gebildet, welche allgemein mit 71 bezeichnet
sind. Nimmt man die Leistungsaufteilerschaltung 71a als Repräsentant
für alle
anderen Leistungsaufteilerschaltungen 71, so ergibt sich,
daß in
Abhängigkeit von
einem Signal, das an den Anschluß 21b gelegt wird,
die Schaltung 71 Signale gleicher Phase und Amplitude an
den Anschlüssen 71c und 71d liefert.
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Phasenleitungen 77 sind
in geeigneter Weise in die gesamtheitliche Speiseschaltung 70 eingesetzt,
so daß in
Abhängigkeit
von einer an den Einspeisungspunkt 72a gelieferten Signal
die gemeinsame Speiseschaltung 70a Signale gleicher Phase
und gleicher Amplitude an den Anschlüssen 74a bis 741 liefert.
Diese Signale werden dann in Einheits-Zellenkoppler zu entsprechenden
der Strahlerelemente 30 (1) überkoppelt.
In derselben Weise liefert die gemeinsame Speiseschaltung 70N Signale
gleicher Amplitude und Phase von den Anschlüssen 78a bis 78d an
die Strahlerelemente 30, wie dies dargestellt ist. Es sei
bemerkt, daß die
gemeinsame Speiseschaltung 70 eine verhältnismäßig große Weglänge 77 hat, was die
Phase an den Anschlüssen 78a bis 78d gleich
mit der Phase an den Anschlüssen 74a bis 741 hält.
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Es
sei nun auf 5A Bezug genommen. Ein Teil
einer Antenne welche der oben in Verbindung mit den 1 bis 5 beschriebenen
Antenne 10 entsprechen kann, enthält eine Anzahl von Strahlerelementen 30', welche als
Teil einer Strahlerschicht 82 vorgesehen sind. Die Strahlerschicht 82 ist
aus einem Paar von dielektrischen Schichten 83, 84 gebildet.
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In
einer Ausführungsform
ist die dielektrische Schicht 83 als Kaptonschicht ausgebildet,
an der leitfähige
Blöcke 30' festgeklebt
sind. Die leitfähigen Blöcke können durch
einen Bearbeitungsprozess gebildet werden oder durch Vorsehen der
Strahler auf dem Dielektrikum durch einen hinzufügenden Prozess (beispielsweise
Metallablagerung) oder durch einen abtragenden Prozess (beispielsweise
ein Bemusterungsprozess oder ein abtragender Ätzprozess). Die Schicht 84 ist
aus einem Schaummaterial, beispielsweise einem offenporigen Schaum,
einem geschlossenporigem Schaum oder einem strukturellen Schaum
hergestellt.
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Die
Strahlerschicht 82 befindet sich über einer Erdungsebenenschicht 86,
die wiederum über
einer Spalten-Strahlformerschicht 87 angeordnet ist. Eine
Mehrzahl von Linienkoppler 90 koppeln Energie von den Spalten-Strahlformerschaltungen,
welche in den Schichten 88 und 89 vorgesehen sind, über die Erdungsebenenschicht
(beispielsweise durch in der Erdungsebenenschicht 86 vorgesehene Öffnungen) zu
den Strahlern 30'.
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Nunmehr
sei auf 6 und 6A Bezug genommen,
in welchen gleiche Bauteile, wie sie in den 1 bis 4A gezeigt
sind, auch mit gleichen Bezugszahlen versehen sind. Man erkennt,
daß die untere
Plattenanordnung 12 eine rotierende Linienkopplerschaltung 46 aufweist,
die von darüber
angeordneten Parallelplatten-Wellenleitungen gebildet ist. Ein Signal,
das zu einem der Anschlüsse 14a, 14b (1)
geführt
wird, wird durch die untere Plattenanordnung 12 zu der
Speiseleitung 48 überkoppelt.
Wie oben in Verbindung mit den 1 bis 4A beschreiben
wird ein Signal, das an einem der Antennenanschlüsse 14a, 14b eingespeist
wird, durch die Parallelplatten-Wellenleitung
und die Übergangsschaltung
weitergekoppelt und wird zu der rotierenden Linienkoppleranordnung 46 als
ein Speisesignal mit einer gleichförmigen Phasenfront 98 geliefert. Der
Winkel des Speisesignals, das durch die Linienkopplerspeisung 48 geliefert
wird, kann, wie in nachfolgender Gleichung 1 gezeigt, errechnet
werden. sin θ = sqrt(εr)si Gleichung 1worin
θ dem Antennen-Elevationsabtastwinkel
entspricht;
εr1 die relative Elektrizitätskonstante
des Übertragungsmediums
in der unteren Plattenanordnung 12 ist;
εr2 die
relative Dielektrizitätskonstante
des Übertragungsmediums
in der Linienkopplerschaltung 46 ist; und
θ' dem Winkel des Linienkopplers 48 gegenüber dem in
Phase zugeführten
Signal 98 entspricht.
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Die
drehende Linienkopplerschaltung 46 führt also eine abtastende Lineare
Phasenverteilung bei echter Zeitverzögerung ein, welche somit in
einem Antennenstrahl resultiert, der in eine bestimmte Richtung
gelenkt wird.
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In
einer Ausführungsform
enthält
die untere Plattenanordnung 12 eine gemeinsame Speiseschaltung,
die das gleichförmige
Speisesignal an die Linienkopplerschaltung 46 liefert.
In einer bevorzugten Ausführungsform,
die unten in Verbindung mit 10 beschrieben
wird, entspricht die untere Plattenanordnung 12 einem eindimensionalen
Strahl, der durch eine sogenannte Tablettenschachteleinspeisung
(TBR) gebildet ist.
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Nachdem
die rotierende Linienkopplerschaltung 46 über die
untere Plattenanordnung 12 gesetzt ist, ist die Schaltung 46 relativ
zur unteren Plattenanordnung 12 bewegbar. Insbesondere
kann der Winkel, unter welchem die Einspeisungsleitung 48 von dem Einspeisungssignal
von der unteren Plattenanordnung 12 getroffen wird, geändert werden.
Fernerhin bestimmt der Winkel, unter welchem die Einspeisungsleitung 48 von
dem von der unteren Plattenanordnung ausgehenden Einspeisungssignal
getroffen wird, den Abtastwinkel des Antennenstrahls 31a (1)
in der Elevationsrichtung.
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In
einer Ausführungsform
wird ein Ringlager verwendet, um die Drehung der Kopplerschaltung 46 relativ
zu der unteren Plattenanordnung 12 zu erleichtern, wenn
der Winkel, unter welchem die Speiseleitung 48 von dem
durch die untere Plattenanordnung 12 bereitgestellten Speisesignal
getroffen wird, geändert
wird. In einer Ausführungsform,
in der die Kopplerschaltung 46 sich relativ zu der unteren
Plattenanordnung 12 dreht, kann der Ausrichtungsstift 49 als
Drehachse wirksam sein.
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Die
Antennen-Wellenleitungsanschlüsse 14a und 14b,
welche die Hochfrequenzschnittstelle der Antenne bilden, können beispielsweise
als starre Wellenleitungen ausgebildet sein.
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Es
sei nun auf 6B Bezug genommen, in welcher
ein Diagramm der Amplitude des elektrischen Feldes über den
Abstand aufgetragen gezeigt ist. Die Kurve 100 entspricht
der Amplitudenverteilung, welche durch eine untere Plattenanordnung (beispielsweise
die untere Plattenanordnung 12, wie sie oben in Verbindung
mit 1 beschreiben wurde) erzeugt wird, während die
Kurve 102 der Amplitudenverteilung entspricht, die durch
eine obere Plattenanordnung, (beispielsweise die obere Plattenanordnung 26,
wie sie in Verbindung mit 1 beschrieben
wurde) erzeugt wird. Im Idealfall entspricht die Kombination der
Amplitudenverteilungen 100 und 102 einer geraden
Linie 103. Es sei bemerkt, daß es möglich ist, jede der Amplitudenkennlinien 100, 102, welche
entweder von der oberen Plattenanordnung oder der unteren Plattenanordnung
erzeugt werden, zu ändern,
um die Amplitudenverteilung der Antenne zu steuern.
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Es
seien jetzt die 7 bis 9 betrachtet, in
welchen gleiche Bauteile wie in den 1 und 2 auch
mit gleichen Bezugszeichen versehen sind. Die untere Plattenanordnung 12 enthält ein Paar
von Parallelplatten-Wellenleitungen, welche Wellen leitungs-Übertragungsleitungen 22 und 24 ausbilden, über die
sich ein ideal gleichförmiges TEM-Feld
ausbreitet. Wie man aus den 8 und 9 ersehen
kann speisen die Wellenleitungen zwei 90°-Biegungen 104 und 105 in
der Parallelplatten-Wellenleitung, welche die Richtung des TEM-Feldes
und das körperliche
Niveau ändern.
Das resultierende Signal, das von der unteren Plattenanordnung erzeugt
wird, breitet sich mit einem ideal gleichförmigen TEM-Feld zur oberen
Plattenanordnung 26 (in 7 bis 9 nicht
gezeigt) aus, um, wie oben beschreiben, an die Strahlerelemente
angekoppelt zu werden.
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Es
sei bemerkt, daß zwar
die untere Plattenanordnung 12 vorliegend von zwei Parallelplatten-Wellenleitungen
gebildet dargestellt ist, daß es aber
in bestimmten Anwendungsfällen
wünschenswert
oder notwendig seien kann, nur eine Parallelplatten-Wellenleitung zu
verwenden. In diesem Falle wäre
die Antenne so auszubilden, daß sie
nur einen einzigen der Antennenanschlüsse 14a, 14b aufweist. Als
weitere Alternative ist anzugeben, daß es in einigen Anwendungsfällen erwünscht oder
notwendig sein kann, die untere Plattenanordnung aus mehr als zwei
Parallelplatten-Wellenleitungen aufzubauen. In diesem Falle ist
für jede
Wellenleitungs-Übertragungsleitung
ein eigener Anschluß vorgesehen.
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Es
leuchtet ein, daß in
den Fällen,
in denen die untere Plattenanordnung 12 mit weniger oder mehr
als zwei Parallelplatten-Wellenleitungen ausgebildet ist, die obere
Plattenanordnung 26 entsprechend modifiziert werden muß, um die
Signale anzunehmen, die von der unteren Plattenanordnung 12 dargeboten
werden.
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Nunmehr
sei auf 10 Bezug genommen. Die untere
Plattenanordnung 12 ist so ausgebildet, daß sie einen
eindimensionalen Strahlformer aufweist, der von einer Tablettendosen-Einspeisung 108 gebildet
ist, in welcher der Winkel 110 der Wellenleitungseispeisung 14 die
Amplitudenkennlinie steuert, die an der Ebene P1 eingeführt wird.
In einer Ausführungsform
bestrahlt die Tablettendosen-Einspeisung 108 die Parallelplatte
der unteren Plattenanordnung 12 mit einem TEM-Feld, das
eine Amplitudenverteilung cos–1 (Pd/4) hat. Die Tablettendosen-Einspeisung 108 liefert
das Signal durch die zwei 90°-Biegungen 104 und 105 (siehe 9)
in der Parallelplatten-Wellenleitung, welche die Richtung des TEM-Feldes
und das Niveau ändern.
Das Feld wird dann durch eine zweite Parallelplatten-Übertragungswellenleitung übertragen,
die in der Linienkopplerschaltung 46 vorgesehen ist, um
zur Speiseleitung 48 zu gelangen