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Die
Erfindung bezieht sich auf eine Schlitz-gekoppelte Antennenanordnung
auf einem Mehrschicht-Substrat (engl. multilayered slot-coupled
antenna device), bei welcher eine Energie zwischen einem Signalanschluss
und einem Antennenelement durch einen Schlitz übertragen wird, welcher in
einer Metallbeschichtungs-Schicht ausgebildet ist.
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Die
Zuführung
eines Antennenelements von einer Signalquelle kann im allgemeinen
entweder durch Leitung (d.h., eine direkte Verbindung zwischen Quelle
und Element) oder durch einen elektromagnetischen Kopplungsprozess
stattfinden, wobei letzteres die so genannte Schlitzkopplungs-Technik enthält. Obwohl
das erst genannte an sich einfach ist und in einer Einzelschicht-Baugruppe
realisiert werden kann, erfordert letzteres die Verwendung einer mehrschichtigen
Metallbeschichtungs-plus-Dielektrikum Anordnung.
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Schlitz-gekoppelte
Antennenanordnungen auf einem Mehrschicht-Substrat sind an sich bekannt, wobei
ein Beispiel in 1a und 1b gezeigt
ist. In 1a und 1b enthält ein mehrschichtiger
Aufbau ein Substrat (dielektrischer Träger oder Schaum) 10 und
zwei dielektrische Schichten 11, 12. Zwischen
dem Substrat und der dielektrischen Schicht 11 ist eine
Signalzuführleitung 13 eingelegt,
und zwischen den dielektrischen Schichten 11 und 12 ist
eine Erdungsebene 14 eingelegt, in welcher ein Schlitz
oder eine Öffnung 15 ausgebildet
ist. Schließlich
wird ein Antennenelement („patch") 16 auf
der oberen Oberfläche
des Dielektrikums 12 abgelagert, während die Unterseite des Substrats
mit einer Erdungs-Metallbeschichtungs-Schicht 17 bereitgestellt
werden kann.
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Von
diesem Anordnungstyp geht eine Anzahl von Vorteilen aus. Zunächst wird,
weil der größere Teil
der Zuführleitung
vom Antennen-Patch über
eine geerdete Metallbeschichtungs-Schicht getrennt ist, die störende Strahlungsemission
von der Anordnung reduziert. Es ist ebenfalls möglich, unterschiedliche dielektrische
Materialien mit beispielsweise unterschiedlichen dielektrischen
Konstanten an den zwei Seiten der Erdungsebene 14 zu verwenden,
so dass die Leistung des Dielektrikums sowohl für den Signalzuführ-Teil
als auch den Antennen-Teil der Antennenanordnung optimiert werden
kann. Der Schlitz ist derart bemessen, dass er keine Resonanz zur
Folge hat. Ferner, weil eine Kopplung über eine Strahlung durch einen
Schlitz und nicht über
eine Leitung durch Leiter ausgeht, wird die Notwendigkeit nach Durchgangskontakten
(„Durchgänge") und gebohrten Löchern, um
diese unterzubringen, vermieden.
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Die
FR 2666691 lehrt eine Schlitz-gekoppelte
Mikrowellenantenne, welche zwei Schlitzpaare hat, welche parallel
sind, und welche symmetrisch mit Bezug auf eine Symmetrieachse der
Erdungsebene aufgestellt sind, in welcher sie bestimmt sind. Eine
Zuführleitung
steht mit jedem Schlitz in Zusammenhang und kreuzt ihren jeweiligen
Schlitz bei 90°. Im
Betrieb wird ein erstes Signal einer ersten Frequenz über eine
Zuführleitung
eines Paares geführt, und
wird ein zweites Signal über
die weitere Zuführleitung
eines Paares geführt,
welches die gleiche Frequenz hat, jedoch mit einer 90° Phasenverschiebung.
Ein Signal einer zweiten Frequenz kann an Zuführleitungen angelegt werden,
welche mit dem weiteren Paar von Schlitzen in Zusammenhang stehen.
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Die
US 5844523 offenbart eine
Schlitz-gekoppelte Antennenanordnung, welche ein thermoplastisches
Elastomer mit einem dielektrischen Verlust als eine dielektrische
Schicht verwendet, welche zwischen einer Mikrostreifen-Zuführleitung
und der Leit-Schicht, welche den Schlitz enthält, eingelegt ist. In einer
Anordnung sind zwei Schlitze bereitgestellt, welche von einer einzelnen
Mikrostreifen-Zuführung zugeführt werden,
um eine Energie in eine jeweilige rechteckige Mikrostreifen-Patchantenne
zu koppeln.
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Ein
Nachteil bei der Verwendung einer Schlitz-gekoppelten Anordnung
im Vergleich zu einer direkt gekoppelten Anordnung ist, dass Toleranzen, welche
unvermeidbar bei der Herstellung der Mehrfachschicht-Baugruppe auftreten,
eine Verschlechterung bei einer Antennenleistung verursachen können, wobei
dies hauptsächlich
die Mitten-Betriebsfrequenz der Antenne und deren Eingangsimpedanz-Eigenschaft
beeinflusst.
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Gemäß eines
ersten Aspektes der Erfindung ist eine Schlitz-gekoppelte Antennenanordnung auf einem
Mehrschicht-Substrat bereitgestellt, welche in Abfolge enthält: ein
Antennenelement; eine erste dielektrische Schicht; eine Erdungsebene,
welche einen ersten und zweiten Kopplungsschlitz hat, welche darin
ausgebildet sind, wobei die Kopplungsschlitze lang gestreckte Öffnungen
enthalten, welche voneinander beabstandet sind, und zueinander parallel
liegen; eine zweite dielektrische Schicht; und eine erste und zweite
Zuführleitung,
welche jeweiligen Kopplungsschlitzen zugeordnet sind, dadurch gekennzeichnet,
dass die erste und zweite Zuführleitung
mit einem Signalzuführ-Anschluss
mittels eines Leistungsteilers verbunden sind, und die Zuführleitungen derart
aufgebaut sind, dass jede einen Abschnitt hat, welcher vom Signalzuführ-Anschluss
entfernt ist, welcher seinen jeweiligen Schlitz senkrecht dazu kreuzt,
wobei die Abschnitte in entgegen gesetzte Richtungen zeigen, so
dass Signale von diesen Abschnitten mit dem Antennenelement gekoppelt
sind, wobei die Phase des Zuführsignals
an einem Schlitz sich von der des Zuführsignals am anderen Schlitz
im Wesentlichen um ein n-Bogenmaß unterscheidet (d.h., eine
Gegentakt-Weise), und wobei der Leistungsteiler derart aufgebaut
ist, dass im Gebrauch ein Signal, welches am Signalzuführ-Anschluss
angelegt ist, zwischen den Zuführleitungen
im Wesentlichen gleichmäßig aufgeteilt
ist.
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Vorzugsweise
liegen in einer Ausführungsform
der erste und zweite Kopplungsschlitz entlang einer gemeinsamen
Achse, und die erste und zweite Zuführleitung liegen senkrecht
zu ihren jeweiligen Öffnungen,
wobei die freien Enden der Zuführleitungen
an entgegen gesetzten Seiten der gemeinsamen Achse liegen.
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Alternativ
liegen die erste und zweite Zuführleitung
senkrecht zu ihren jeweiligen Öffnungen,
wobei die freien Enden der Zuführleitungen
voneinander wegzeigen.
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Bei
einer weiteren alternativen Ausführungsform,
haben die erste und zweite Zuführleitung
jeweilige erste Abschnitte, welche senkrecht zu den jeweiligen Öffnungen
liegen, und haben jeweilige fortlaufende Abschnitte, welche parallel
zu den jeweiligen Öffnungen
liegen.
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Vorzugsweise
enthält
die Antennenanordnung ferner einen dritten oder mehrere Kopplungsschlitze,
welche in der Erdungsebene ausgebildet sind, und eine dritte oder
mehrere Zuführleitungen, welche
jeweiligen dritten oder mehreren Kopplungsschlitzen zugeordnet sind,
und mit zumindest einem weiteren Signalzuführ-Anschluss verbunden sind.
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Bei
einer besonders bevorzugten Ausführungsform
enthält
die Antennenanordnung einen dritten und vierten Kopplungsschlitz
und jeweils zugeordnete dritte und vierte Zuführleitungen, wobei die dritte
und vierte Zuführleitung
mittels eines weiteren Leistungsteilers mit einem weiteren Signalzuführ-Anschluss verbunden
sind.
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Bei
einer solchen Anordnung hat das Antennenelement vorzugsweise eine
rechteckige Form, und der erste und zweite Kopplungsschlitz liegen
entgegengesetzt zueinander nahe von zwei der Kanten des rechteckigen
Elements, und der dritte und vierte Kopplungsschlitz liegen entgegengesetzt
zueinander nahe den zwei weiteren Kanten des rechteckigen Antennenelements,
wobei die Zuführleitungen
Abschnitte haben, welche senkrecht zu ihren jeweiligen Kopplungsschlitzen
liegen.
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Es
werden nun Ausführungsformen
der Erfindung lediglich mittels Beispiel mit Bezug auf die Zeichnungen
beschrieben, bei denen:
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1a und 1b jeweils
in einer Seiten-Schnittansicht und einer Explosions-Draufsicht den
Aufbau einer herkömmlichen
Schlitz-gekoppelten Antennenanordnung auf einem Mehrschicht-Substrat zeigen;
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2 das
Vorliegen von entgegengesetzt gerichteten Ungenauigkeiten (Versatze)
bei der Positionierung der Zuführleitung
in Relation zum Schlitz in lediglich eine Richtung darstellt;
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3a und 3b jeweils
einen Kurvenverlauf eines Eingangs-Reflexionsfaktors gegen die Frequenz
und ein Smith-Diagramm sind, welche sich auf die Änderung
einer Leistung von einer bestimmten Realisierung einer bekannten
Antennenanordnung aufgrund von Versatze beziehen;
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4 eine
erste Ausführungsform
einer Antennenanordnung gemäß der Erfindung
ist;
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5a und 5b jeweils
ein Kurvenverlauf eines Eingangs-Reflexionsfaktors
gegen die Frequenz und ein Smith-Diagramm für die Antennenanordnung von 4 sind;
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6 eine
zweite Ausführungsform
von einer Antennenanordnung gemäß der Erfindung
ist;
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7 eine
alternative Version der zweiten Ausführungsform der Erfindung ist;
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8 eine
dritte Ausführungsform
von einer Antennenanordnung gemäß der Erfindung
ist; und
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9 eine
vierte Ausführungsform
von einer Antennenanordnung gemäß der Erfindung
ist.
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Mit
Hilfe der 1a, 1b und 2 wird nun
die Wirkung von Toleranzen bei der Herstellung von Mehrfachschicht-Baugruppen
beschrieben.
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Die
Herstellungsschritte, welche als Produktionsbeispiele bezeichnet
werden, welche zum Verständnis
der Erfindung bezüglich
der Antennenanordnung hilfreich sind, sind in einer Realisierung
wie folgt: (a) die Zuführleitung 13 wird
auf das Dielektrikum 11 abgelagert, wobei die andere Seite
des Dielektrikums 11 unmetallisiert verbleibt; (b) die
Erdungsebene 14 wird auf das Dielektrikum 12 abgelagert,
und der Schlitz 15 wird dann in der Erdungsebene ausgebildet;
(c) das Patch 16 wird auf der anderen Seite des Dielektrikums 12 abgelagert;
(d) eine Seite des Substrats 10 wird vollständig metallisiert 17,
die andere Seite wird unmetallisiert belassen. Schließlich werden
(e) das Dielektrikum 11, Dielektrikum 12 und Substrat 10 aneinander
beispielsweise durch einen Klebe-Prozess befestigt. Ein Problem,
welches auftritt, ist, dass eine exakte Positionierung der Dielektrika 11 und 12 in
Relation zueinander nicht garantiert werden kann, und dies hat die
zuvor erwähnten Toleranzen
zur Folge. Positionierungs-Ungenauigkeiten oder „Versatze" können
in zwei Richtungen entlang der Ebene des Antennen-Patches 16 auftreten,
und dies ist in 2 dargestellt, bei welcher die Versatz-Richtungen
durch x und y dargestellt sind. Obwohl es normalerweise wünschenswert
ist, Versatze in einer dieser Richtungen zu vermeiden, sind jene
in der x Richtung (d.h., senkrecht zum Schlitz) besonders zu vermeiden,
da sie zu einer beträchtlichen
Verstimmung der Antennen-Resonanzfrequenz, oder anders ausgedrückt, zu
einer markanten Verschiebung der Eingangsimpedanz der Antenne führen. Diese
Wirkungen sind bei höheren
Frequenzen sogar deutlicher ausgeprägt.
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Ein
genaues Beispiel einer solchen schädlichen Wirkung auf eine Antennenleistung
ist in 3a und 3b gezeigt,
welche sich auf eine nominale Antennen-Betriebsfrequenz von ungefähr 28 GHz und
eine Schicht-Verschiebung oder einen „Versatz" von +/–150 μm in der x Richtung beziehen.
Die Änderung
in der Eingangs-Reflexionsfaktor Eigenschaft zur Frequenz ist Gegenstand
von 3a, wo gesehen werden kann, dass, während ein
Abfall in der Eigenschaft von ungefähr 39 dB bei einem 0-Versatz erreicht
wird, die Situation zwischen 16 und 19 dB schlechter ist, wenn der
genannte Versatz auftritt. Ferner, verschiebt sich die Mittenfrequenz
der Antenne von ihrem Nominalwert (28,42 GHz) auf Werte beiderseits
dieses nominalen Wertes aufgrund der Versatze, wobei die Gesamt-Spreizung
in der Resonanzfrequenz ungefähr
450 MHz beträgt.
Die gleiche Situation ist in anderer Form im Smith-Diagramm von 3b gezeigt.
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Es
wurde herausgefunden, dass diese Verschlechterung der Leistung aufgrund
von der Tatsache herrührt,
dass die Zuführleitungs-Funktionen
als ein Stumpf (engl. stub), bestimmte nominale Impedanz-Eigenschaften
haben. Jegliche Änderung
in der Länge
des Stumpfes ändert
deren Eigenschaften, und beeinflusst daraus folgend den Gesamt-Betrieb der
Antennenanordnung.
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Die
durch die vorliegende Erfindung bereitgestellte Lösung liegt
in der Verwendung von zumindest zwei Zuführleitungen in Zusammenhang
mit jeweiligen Schlitzen, und der Anordnung dieser zwei oder mehreren
Paare von Bauteilen um im Gegentakt zu wirken, wodurch jeglicher
Versatz in den Baugruppen-Schichten
ausgelöscht
wird.
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Ein
erstes Beispiel einer solchen erfindungsgemäßen Antennenanordnung ist in 4 dargestellt,
in welcher der Empfangsbereich (engl. footprint) des Patches 16 zwei
Schlitze 20, 21 und zwei jeweils zugehörige Leitungen 22, 23 umfasst.
Die Zuführleitungen 22, 23 sind
mit jeweiligen Übertragungsleitungen 24, 25 aus
Gründen
der Impedanz-Umwandlung
verbunden, und letztere sind wiederum mit einer Leitungs-Sektion 27 gekoppelt,
wobei das freie Ende derer als ein Anschluss 35 wirkt. Bauteile 24, 25 und 27 stellen
zusammen einen Leistungsverzweiger 26 dar, welcher, wie
in diesem Fall, die Form der bekannten, missgebildeten T-Verzweigung annimmt.
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Bei
der Verwendung beginnt das Eingangssignal an Anschluss 35 und
wird in zwei Teile geteilt, welche jeweils durch Leitungen 22 und 23 befördert werden.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung werden zwei Zustände
beobachtet, welche nun mit Bezug auf das Vorliegen von zwei virtuellen Anschlüssen: Anschluss 36 auf
Leitung 22 und Anschluss 37 auf Leitung 23 erläutert werden.
Der erste Zustand ist, dass die von Anschluss 35 auf Anschluss 36 übertragende
Energie im wesentlichen vom gleichen Betrag derer ist, welche von
Anschluss 35 auf Anschluss 37 übertragen wird. Hinsichtlich
von S-Parametern (Übertragungs-Betrag)
gilt: |SAnschluss36,Anschluss35|(dB)
= |SAnschluss37,Anschluss35|(dB) = –3 dB(verlustfrei)
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Zusätzlich beträgt die Differenz
zwischen der Phase an Anschluss 36, verglichen mit der
an Anschluss 37, gleich |π|, und zwar auf die Weise einer Gegentakt-Zuführung unter
den Schlitzen 20, 21. In S-Parameter (Übertragungs-Phase)
ausgedrückt, gilt: Phase(SAnchluss36,Anschluss35) – Phase
(SAnschluss37,Anschluss35) = |π|
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Die
Gegentakt-Signale unter den Schlitzen 20, 21,
in Kombination mit entgegen gesetzten Zuführrichtungen (Anschluss 36 von
der linken Seite, Anschluss 37 von der rechten Seite),
führen
zu einer additiven Zuführung
des Patches 16 durch die zwei Schlitze 20, 21.
Die praktische Realisierung der verschiedenen Bauteile der Antennenanordnung,
d.h., eine Bestimmung der Längen
d, c der Zuführleitungen,
der Längen
und Breiten der Schlitze, der Überhänge d, b
der Kopplungsleitungen jenseits der Schlitze, der Breiten h, j,
k der missgebildeten T-Verzweigung, der Längen f, g der Äste, u.s.w.,
wird bereits gängigen
Grundsätzen
folgen, wie beispielsweise im „Handbook
of Microstrip Antennas" von
J. R. James und P. S. Hall, Peter Peregrinus, London 1989 umrissen,
und wird bei dieser Patentanmeldung nicht weiter beschrieben.
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Um
Raum in der Baugruppe zu sparen, sind die Schlitze 20, 21 an
jedem Ende mit Erweiterungsabschnitten 28, 29 bereitgestellt,
wobei dies dazu dient, die wirksame Länge der Schlitze auf eine Weise
zu erhöhen,
welche beispielsweise in „Broadband Patch
Antennas" von Jean-Francois
Zürcher
und Fred E. Gardiol, Artech House, Boston, 1995 beschrieben ist.
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Durch
die zuvor beschriebene Anordnung, wird jeglicher Versatz in der
x Richtung beide Schlitze hintereinander beeinflussen, wobei eine
Verlängerung
eines Stumpfes und eine entsprechende Verkürzung des anderen herrührt, so
dass daraus resultierend die Nettowirksamkeit größtenteils reduziert wird, und
die Frequenz- und Impedanz-Eigenschaften der Antennenanordnung mehr
nahezu konstant beibehalten werden. 5a und 5b zeigen
die resultierende Leistung in Kurvenverlauf-/Diagramm-Form, wo zu erkennen
ist, dass der erforderliche Abfall im Eingangs-Reflexionsfaktor,
obwohl nicht absolut konstant in allen drei Fällen (d.h. –150 μm, 0 μm und +150 μm), nichts desto trotz weit
weniger durch die Versatze beeinflusst wird. Die tatsächliche Änderung
in der Eingangs-Impedanz über
den gesamten Versatz-Bereich beträgt nun ungefähr 50,6 Ω–48,1 Ω = 2,5 Ω, nämlich eine Änderung
von lediglich 5,0%. Dies sollte mit einer Schwankung von zwischen
57,7 Ω und
41,4 Ω (32,6%)
bei der nicht kompensierten Anordnung (3a und 3b)
verglichen werden. Die entsprechende Änderung in der Mittenfrequenz
beträgt
40 MHz, welches sich auf eine 0,14% Änderung beläuft, im Gegensatz zu 1,58%
im nicht kompensierten Fall.
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Zwei
alternative Ausführungsformen
der Erfindung sind in 6 und 7 dargestellt,
in denen diesmal die Schlitze 30, 31 am meisten
der Länge des
Patches 16 in x Richtung belegen, und die Zuführleitungen 32, 33/40, 41 in
y Richtung verlaufen. Die kompensierten Versatze werden in diesem
Fall in y Richtung anstelle in x Richtung liegen. Abermals wird
ein Antrieb der Zuführleitungen
Idealerweise den zwei Phasen- und Amplituden bezüglichen Bedingungen, wie zuvor
umrissen, entsprechen.
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Obwohl
soweit lediglich Antennenanordnungen, welche zwei Paare von Zuführleitungen
und Schlitze haben, dargestellt und beschrieben wurden, sieht die
Erfindung ebenfalls die Verwendung von mehr als zwei vor. In 8 ist
eine Realisierung der Erfindung gezeigt, welche ein Paar von Zuführleitungs-/Schlitz-Anordnungen 42, 43,
welche im Gegentakt arbeiten, wie zuvor in Verbindung mit weiteren
Ausführungsformen
beschrieben, und eine zusätzliche
Leitungs-/Schlitz-Anordnung 44 enthält, welche,
obwohl sie nicht zur Versatz-Kompensationswirkung beiträgt, nichts
desto trotz der Antenne eine Signalzuführung bereitstellt, welche
unter der entgegen gesetzten Polarisation, d.h. in x Richtung, arbeitet,
wobei der Vorteil dessen darin liegt, dass das Patch mit zwei unterschiedlichen
Frequenzen zugeführt
werden kann. Eine Zuführung
der Antenne wird unter zwei Anschlüssen 45, 4b bereitgestellt.
In 9 verwendet eine weitere Ausführungsform Schlitz-/Zuführpaare 50, 51,
welche in einer Polarisation konfiguriert sind, und Schlitz-/Zuführpaare 52, 53,
welche in der anderen Polarisation konfiguriert sind, wobei Eingangssignale
an die jeweiligen Anschlüsse 54 und 55 angelegt
werden, von wo aus sie im Gegentakt den Schlitz-Durchlauf-Abschnitten der jeweiligen
Zuführungen
angelegt werden. Eine Kompensierung von Versatzen findet nun sowohl
in x als auch y Richtung statt. Wie bei der Anordnung in 8,
können
die zwei Anschlüsse
derart erstellt sein, dass sie unterschiedliche Frequenzen befördern, wobei
diesmal beide Zuführsignale
im wesentlichen unempfänglich
auf ihre jeweiligen zugehörigen Versatze
erstellt sind.