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Die
vorliegende Erfindung betrifft Antennen. Insbesondere betrifft die
vorliegende Erfindung Schlitzantennen, die in Anwendungen mit großer Leistung
verwendet werden.
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Erläuterungen
zum Stand der Technik
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Die
einzelnen Antennenelemente einer phasengesteuerten Array-Antenne
mit breiter Abtastung (z.B. eine Antenne, die in der Lage ist, sehr
breite Winkel abzutasten, wie beispielsweise +/–45°) müssen in der Regel sehr eng
voneinander beabstandet sein. Insbesondere müssen die einzelnen Antennenelemente
in der Regel um ungefähr
eine halbe Freiraumwellenlänge
voneinander beabstandet sein. Es gibt eine Vielzahl von Antennenelementen,
die ein derart kompaktes Design aufweisen. Jedoch ist keine der
derzeit verfügbaren
Antennen, die kompakt genug sind, um in einer phasengesteuerten
Array-Antenne mit breiter Abtastung verwendet zu werden, in der
Lage, die sehr hohen durchschnittlichen Leistungspegel zu bewältigen und
dabei gleichzeitig eine sehr genaue Polarisation, z.B. eine zirkulare
Polarisation, über
einen sehr großen
Winkelbereich (z.B., +/–50° in beiden
Ebenen) bereitzustellen. In diesem Zusammenhang gibt es eine Anzahl
von Anwendungen, darunter auch phasengesteuerte Array-Antennen mit
breiter Abtastung und hoher Leistung, die ein extrem kompaktes Antennendesign
benötigen,
das diese Rahmenbedingungen erfüllt.
Der nachfolgende kurze Überblick
der derzeit verfügbaren
Antennentechnologie soll dazu dienen, die derzeitigen Grenzen und
Unzulänglichkeiten
aufzuzeigen. Zirkular polarisierte Teilstück-Antennen (patch antennas)
können
kleiner gemacht werden als die Hälfte
einer Freiraumwellenlänge,
aber nur unter Verwendung eines Dielektrikums, wodurch die Teilstück-Antenne
für Anwendungen
mit hoher Leistung ungeeignet wird. Eine zirkular polarisierte Antenne
mit Wellenleiter in Steganord nung, bei der in ihrer Oberfläche ein
Schlitz ausgebildet ist, kann kleiner gemacht werden als die Hälfte einer
Freiraumwellenlänge.
Obwohl ein solches Antennendesign hohe Leistungspegel bewältigen kann,
ist es nicht in der Lage, eine genaue zirkulare Polarisation bereitzustellen.
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Eine
rechteckige Hohlraum-gestützte Schlitzantenne
kann hergestellt werden, die hohe Leistungspegel bewältigen kann
(d.h., es wird kein Dielektrikum benötigt). Die Erstreckungen bezogen auf
den Querschnitt des Hohlraums (der Kavität) müssen jedoch größer sein
als die Hälfte
einer Freiraumwellenlänge
(üblicherweise
7/10 einer Wellenlänge
hochkant (on edge)), damit die Vorrichtung betrieben werden kann.
Der Grund dafür,
weshalb die Erstreckungen des Hohlraums größer sein müssen als die Hälfte einer
Freiraumwellenlänge,
liegt darin, dass die rechteckigen Erstreckungen gleich der Hälfte einer
Leiterwellenlänge
sein müssen,
die länger
ist als die Freiraumwellenlänge,
damit der Hohlraum in Resonanz kommen kann.
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Die
Größe einer
herkömmlichen
Hohlraum-unterstützten
Schlitzantenne kann reduziert werden, indem der Hohlraum mit einem
dielektrischen Material gefüllt
wird. Dies führt
aber zu erheblichen Verlusten und führt dazu, dass die Antenne
für Anwendungen
mit hoher Durchschnittsleistung ungeeignet wird.
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Zu
anderen bekannten Antennendesigns gehören auch solche, die in dem
US-Patent Nr. 3,573,834
von McCabe et al.; US-Patent Nr. 4,130,823 von Hoople; US-Patent Nr. 4,132,995
von Monser; und US-Patent Nr. 5,461,393 von Gordon beschrieben sind.
Die in diesen Patenten offenbarten Antennen sind jedoch entweder
zu groß,
haben schlechte Eigenschaften bezüglich der zirkularen Polarisation
und/oder können
hohe Leistungspegel nicht bewältigen.
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Das
US-Patent Nr. 5,049,895 offenbart einen flachen Wellenleiter, der
eine gleichförmige
Strahlung oder Leistung durch eine Vielzahl von leistungsabgebenden Öffnungen
abstrahlt, um die Verstärkung
der Antenne zu erhöhen.
Die Vorrichtung weist Mittel auf, um Leistung von einer äußeren Wand
eines wellenleitenden Raums, der von metallischen Wänden umgeben
ist, in Richtung eines zentralen Teils des wellenleitenden Raums
zu führen.
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In
der Veröffentlichung "End Loaded Crossed-Slot
Radiating Elements",
Manshadi, F., IEEE Transactions on Antenna and Propagation 39 (1991)
August, Nr. 8, Seiten 1237–1240
ist eine Hohlraum-gestützte
Antenne mit gekreuzten Schlitzen gezeigt, deren Schlitze am Ende
beaufschlagt werden (end-loaded slots). Diese Veröffentlichung
offenbart den Oberbegriff des Anspruchs 1.
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US 4,131,893 zeigt ein ebenes
leitendes Abstrahlelement, das von einer parallel positionierten leitenden
Masseebene mittels eines dielektrischen Substrats isoliert ist.
Ein Resonanzhohlraum ist zwischen dem Abstrahlelement und der Masseebene gebildet,
wobei Strahlung aus den Aperturschlitzen austritt, die zwischen
den Kanten und der Masseebene gebildet sind. Der ebene Bereich des
Abstrahlelements kann reduziert werden, indem ein ausgedehntes dielektrisches
Substrat verwendet wird und die nicht in Resonanz tretende Erstreckung
verringert wird und indem der Resonanzhohlraum entlang einer oder
mehrerer Achsen, die senkrecht zu der Resonanzerstreckung stehen,
im Effekt gefaltet wird.
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Daher
besteht auf diesem technischen Gebiet der Bedarf an einer extrem
kompakten Antenne, die in der Lage ist, hohe Leistungspegel zu bewältigen und
eine sehr genaue Polarisation bereitzustellen, z.B. für die Verwendung
in Anwendungen mit hoher Leistung, die eine Strahlung mit einer
sehr genauen zirkularen Polarisation über einen breiten Winkelbereich
(z.B., +/–50° in beiden
Ebenen) benötigen, wie
dies beispielsweise bei phasengesteuerten Array-Antennen mit breiter
Abtastung ist.
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ZUSAMMENFASSUNG
DER ERFINDUNG
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Der
Bedarf auf diesem technischen Gebiet wird durch die vorliegende
Erfindung befriedigt, die eine Antenne bereitstellt, wie es in den
Ansprüchen wiedergegeben
ist.
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Jede
geeignete HF-Übertragungsleitung, z.B.
ein Wellenleiter oder Koaxialkabel, kann verwendet werden, um HF-Energie
in den gefalteten Hohlraum einzubringen.
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Bei
einer Ausgestaltung ist der Schlitz kreuzförmig ausgeführt, und es werden Koaxialkabel
verwendet, die HF-Signale übertragen,
die in der Phase um 90 versetzt sind, um den gefalteten Hohlraum
in den entsprechenden senkrechten Richtungen zu speisen, wobei die
kreuzförmigen
Schlitze eine genaue, zirkular polarisierte Strahlung erzeugen.
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Bei
einer anderen Ausgestaltung, die realisiert und ausgiebig getestet
wurde, ist der Schlitz in Form von gekreuzten Hanteln ausgebildet,
und ein Wellenleiter in Stegausführung
wird verwendet, um den gefalteten Hohlraum zu speisen. Bei dieser
Ausführungsform
ist das Ausmaß der
Faltung des Hohlraums in einer ersten Richtung größer als
in einer zweiten Richtung, wodurch der gefaltete Hohlraum bei unterschiedlichen
Frequenzen für
HF-Energie mit verschiedenen Polarisationen in Resonanz steht. Des
Weiteren wird ein Koppelstift verwendet, um HF-Energie mit einer
ersten Polarisation in HF-Energie mit einer zweiten Polarisation überzukoppeln,
wodurch der Schlitz eine genaue, zirkular polarisierte Strahlung
erzeugt.
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Bei
beiden Ausgestaltungen ist zumindest eine der Erstreckungen von
Breite und Länge
des Gehäuses
vorzugsweise kleiner als 7/10 einer Freiraumwellenlänge und,
bevorzugt, sind sowohl die Breite als auch die Länge des Gehäuses jeweils kleiner als die
Hälfte
einer Freiraumwellenlänge.
Mit jeder dieser Ausgestaltungen ist die Antenne in der Lage, eine
sehr genaue zirkulare Polarisation zu erzeugen und ist in der Lage,
sehr hohe durchschnittliche Leistungspegel zu bewältigen,
z.B. 10 kW, wodurch sie sich für
Anwendungen mit hoher Leistung eignet, die extrem kompakte Antennenelemente
benötigen, z.B.
phasengesteuerte Array-Antennen mit breiter Abtastung.
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Die
vorliegende Erfindung umfasst auch, in einem anderen ihrer Gesichtspunkte,
eine phasengesteuerte Array-Antenne, die eine Vielzahl von Antennenelementen
aufweist, von denen jedes gemäß der vorliegenden
Erfindung aufgebaut ist.
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KURZE BESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNGEN
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1 ist
eine isometrische Darstellung der gefalteten Hohlraum-gestützten Schlitzantenne
gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung.
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2 ist
eine Querschnittsansicht des gefalteten Hohlraums einer herkömmlichen
gefalteten Hohlraum-gestützten
Schlitzantenne.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des gefalteten Hohlraums der gefalteten
Hohlraum-gestützten Schlitzantenne,
die in 1 dargestellt ist.
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4 ist
eine isometrische Ansicht der gefalteten Hohlraum-gestützten Schlitzantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit Koaxialkabeln gespeist wird.
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5 ist
eine isometrische Ansicht von einer anderen Ausführungsform der gefalteten Hohlraum-gestützten Schlitzantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung, die mit einem Wellenleiter in Stegausführung gespeist
wird.
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6 ist
ein Diagramm, das die Reflexionsdämpfung über der Frequenz abträgt, bezogen
auf den Einspeiseport des Wellenleiters in Stegausführung der
gefalteten Hohlraum-gestützten
Schlitzantenne gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 5 gezeigt ist.
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BESCHREIBUNG
DER ERFINDUNG
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Erläuternde
Ausführungsformen
und beispielhafte Anwendungen werden nun unter Bezug auf die beigefügten Zeichnungen
beschrieben, um die vorteilhaften Lehren der vorliegenden Erfindung zu
offenbaren.
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Obwohl
die vorliegende Erfindung hier unter Bezug auf die erläuternden
Ausführungsformen
für bestimmte
Anwendungen beschrieben wird, sollte es klar sein, dass sich die
Erfindung nicht darauf beschränkt.
Diejenigen, die das übliche
Wissen auf diesem technischen Gebiet und Zugang zu den hier zur Verfügung gestellten
Lehren haben, werden zusätzliche
Veränderungen,
Anwendungen und Ausführungsformen,
die im Bereich der Erfindung liegen und weitere Gebiete erkennen,
in denen die Erfindung von erheblicher Nützlichkeit wäre.
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In
der 1 ist eine isometrische Ansicht einer gefalteten
Hohlraum-gestützten
Schlitzantenne 20 gemäß einer
beispielhaften Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die gefaltete Hohlraum-gestützte Schlitzantenne 20 weist
ein Gehäuse 22 auf,
das einen gefalteten rechteckigen Hohlraum 24 hat, der
in einer unteren Hohlraumwand 26 gemäß einem neuen Aspekt der vorliegenden
Erfindung ausgebildet ist, und einen Schlitz 28, der in
die obere Hohlraumwand 30 eingearbeitet ist. Das Gehäuse 22 kann
aus Aluminium oder einem anderen geeigneten leitfähigen Material
gefertigt sein.
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Den
gefalteten rechteckigen Hohlraum 24 kann man sich so vorstellen,
dass ein herkömmlicher rechteckiger
Hohlraum hinter sich selbst in zwei Erstreckungen bzw. Dimensionen
gefaltet wird. Dieses gefaltete Hohlraumdesign ermöglicht es
der Antenne 20 hochkant (on edge) kleiner zu sein als eine
halbe Wellenlänge,
wodurch sie kompakt genug wird, um als ein Antennenelement in einer
phasengesteuerten Array-Antenne mit breiter Abtastung verwendet
zu werden. Die Verringerung in der Größe relativ zu dem herkömmlichen
rechteckigen Hohlraumdesign gemäß dem Stand
der Technik, wird ohne die Verwendung eines dielektrischen Materials
erzielt, wodurch es möglich
wird, dass die Antenne 20 in Anwendungen mit hoher Leistung
verwendet werden kann.
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Die
Antenne 20 kann mit einem Wellenleiter, Koaxialkabeln oder
jeder anderen HF-Übertragungsleitung
gespeist werden. Die Antenne 20 kann so eingestellt werden,
dass sie ein zirkular polarisiertes Strahlungsmuster erzeugt. So
ist z.B. in der Ausführungsform,
die in 1 dargestellt ist, der Schlitz 28 kreuzförmig ausgebildet,
so dass dadurch ein zirkular polarisiertes Strahlungsmuster erzeugt
wird. Der Schlitz 28 kann natürlich so hergestellt werden,
indem zwei senkrechte Schlitze in die obere Hohlraumwand 30 gearbeitet
werden, um die Form eines Kreuzes zu bilden.
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2 ist
eine Querschnittsansicht eines herkömmlichen rechteckigen Hohlraums 32 gemäß dem Stand
der Technik, wobei der Querschnitt in einer Erstreckung ist, z.B.
in der Erstreckung der Breite. Die Breite des Hohlraums 32 ist
mit "w" bezeichnet.
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3 ist
eine Querschnittsansicht des gefalteten rechtwinkligen Hohlraums 24 der
vorliegenden Erfindung, entlang einer Erstreckung, z.B. in der Erstreckung
der Breite. Die Breite des gefalteten Hohlraums 24 ist
mit "<<w" bezeichnet,
um dadurch anzuzeigen, dass die Breite des gefalteten Hohlraums 24 der
vorliegenden Erfindung wesentlich geringer ist als die Breite des "nicht-gefalteten" Hohlraums 24 gemäß dem Stand
der Technik. Es sei darauf hingewiesen, dass die gesamte gefaltete
Breite des Hohlraums ungefähr
gleich "w" ist, wie es in 3 gezeigt ist.
Natürlich
kann die gleiche Reduzierung in der Größe in der senkrechten Erstreckung
erzielt werden, z.B. in der Erstreckung der Länge des gefalteten Hohlraums 24,
indem der gefaltete Hohlraum entlang seiner Länge "zurückgefaltet" wird, genauso wie
entlang seiner Breite.
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Natürlich ist
es so, dass dieses Zurückfalten eines
herkömmlichen
rechteckigen Hohlraums in den senkrechten Erstreckungen in einem "zusammengesetzten" Hohlraum resultiert,
der aus einem ersten Hohlraumbereich 32 und einem zweiten
Hohlraumbereich 34 besteht, die entlang ihrer gesamten
Peripherien durch eine Falte oder einen Absatz 36 miteinander
verbunden sind. Selbstverständlich
ist die spezielle Form des Hohlraums nicht beschränkend bezüglich der
vorliegenden Erfindung zu verstehen.
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4 ist
eine isometrische Ansicht des Ausführungsbeispiels der gefalteten
Hohlraum-gestützten
Antenne 20, die in 3 gezeigt
ist und die mit einem Paar von Koaxialkabeln 40 gezeigt
ist, die die Antenne 20 speisen. Jedes der koaxialen Kabel 40 speist
den gefalteten Hohlraum 24 in jeweils einer seiner zwei
senkrechten Richtungen. Wenn sich die koaxialen Signale um 90° in der Phase
unterscheiden, wird der gefaltete Hohlraum-gestützte Schlitz 28 eine
zirkulare Polarisation abstrahlen.
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5 ist
eine isometrische Ansicht einer weiteren Ausführungsform einer gefalteten
Hohlraum-gestützten
Antenne 20' gemäß der vorliegenden
Erfindung. Bei dieser Ausführungsform
wird die Antenne 20' mit
einem Wellenleiter 44 in Stegausführung gespeist. Der Wellenleiter 44 in
Stegausführung kann
schmaler gemacht werden als ein herkömmlicher rechteckiger Wellenleiter,
z.B. ungefähr
eine halbe Wellenlänge
hochkant. Des Weiteren wurde bei dieser Ausführungsform ein Schlitz 28' in Form von
gekreuzten Hanteln ausgeführt,
um ein sehr breites Abstrahlungsmuster zu erzielen. Die Zuführung des
Wellenleiters 44 in Stegausführung koppelt nur Energie in
einer Polarisation in den Hohlraum. Um eine zirkulare Polarisation
zu erreichen, muss der gefaltete Hohlraum 24' in beiden Polarisationen in Resonanz
stehen. Dies wird bei dieser Ausführungsform der Erfindung erreicht,
indem ein Koppelstift verwendet wird, um Energie von einer Polarisation
in die andere Polarisation zu überkoppeln.
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Des
Weiteren müssen
die zwei Polarisationen des gefalteten Hohlraums 24' bei geringfügig verschiedenen
Frequenzen in Resonanz stehen, um eine zirkulare Polarisation zu
erhalten. Dies wird bei der Ausführungsform
der Erfindung erreicht, indem der Grad bzw. das Ausmaß des Faltens
des Hohlraums für
die eine Polarisation größer ist
als für
die andere. Dies wird erzielt, indem die Basis des gefalteten Hohlraums 34' unsymmetrisch
gemacht wird.
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Die
gefaltete Hohlraum-gestützte
Antenne 20' gemäß dieser
Ausführungsform
(d.h., die in 5 dargestellt ist) wurde realisiert
und ausgiebig getestet.
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6 ist
ein Diagramm, das die Reflexionsdämpfung über der Frequenz abträgt, bezogen
auf den Einspeiseport des Wellenleiters in Stegausführung der
gefalteten Hohlraum-gestützten
Schlitzantenne 20' gemäß der vorliegenden
Erfindung, die in 5 gezeigt ist. Wie man in diesem
Diagramm sehen kann, beträgt
die Reflexionsdämpfung
bei der Mitten-(Ziel-)Frequenz weniger als –20 dB und ist auch weniger
als –20
dB über
eine ungefähr
3%ige Bandbreite. Es sollte auch die doppelte Resonanznatur der
Reflexionsdämpfung
beachtet werden, die aufgrund der zwei Polarisationen des gefalteten Hohlraums 24' entsteht, der
bei verschiedenen Frequenzen in Resonanz steht, um die zirkulare
polarisierte Strahlung zu erzeugen, wie oben erläutert wurde. Das abgestrahlte
axiale Verhältnis
für diese
Ausführungsform
(d.h. für
die Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist) wurde auch getestet, und es hat sich
herausgestellt, dass das axiale Verhältnis bei der Mittenfrequenz
nahezu Null war und dass des Weiteren das axiale Verhältnis des
gefalteten Hohlraums 24' geringer
war als 3 dB über
eine ungefähr
2%ige Bandbreite. Des Weiteren wurde diese Ausführungsform (d.h. die Ausführungsform,
die in 5 gezeigt ist) bei großer Leistung getestet. Insbesondere
wurde eine durchschnittliche Leistung von über 10 kW auf die Antenne 20' gegeben, ohne
dass daraus eine Verschlechterung resultiert hätte.
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Die
vorliegende Erfindung wurde somit unter Bezug auf eine besondere
Ausgestaltung für
eine besondere Anwendung beschrieben. Obwohl die vorliegende Erfindung
besonders nützlich
ist für
die Verwendung in phasengesteuerten Array-Antennen, kann die vorliegende Erfindung
auch in einer Anzahl von anderen Anwendungen, bei industriellen
Heiz- und/oder Kochanwendungen.