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TECHNISCHES GEBIET DER
ERFINDUNG
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Diese
Erfindung betrifft allgemein Keilschlitzantennen und insbesondere
ein Verfahren und eine Vorrichtung für den Erhalt einer breitbandigen
Leistung in einer Keilschlitzantenne.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Während vergangener
Jahrzehnte hat die Antennentechnologie einen Zuwachs bei der Verwendung von
Antennen erfahren, die eine Anordnung von Antennenelementen verwenden,
ein Beispiel hierzu ist eine phasengesteuerte Array-Antenne. Antennen
dieser Bauart weisen viele Anwendungsbereiche in kommerziellen Märkten und
auf dem Gebiet der Verteidigung auf, wie etwa Kommunikations- und
Radarsysteme. In vielen dieser Anwendungsbereiche ist eine breitbandige
Leistung wünschenswert.
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Einige
dieser Antennen sind so ausgelegt, dass sie zwischen zwei oder mehr
diskreten Frequenzbändern
umgeschaltet werden können.
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Somit
arbeitet die Antenne zu einem beliebigen gegebenen Zeitpunkt lediglich
bei einem dieser multiplen Bänder.
Um jedoch tatsächlich
einen breitbandigen Betrieb zu erreichen, muss die Antenne in der
Lage sein, zufrieden stellend in einem einzelnen breiten Frequenzband
ohne die Notwendigkeit, zwischen zwei oder mehr diskreten Frequenzbändern umzuschalten,
zu arbeiten.
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Eine
Bauart der Antennenelemente, von der festgestellt wurde, dass sie
gut in einer Array-Antenne funktioniert, wird als Keilschlitzantennenelement
bezeichnet. Die Beabstandung zwischen den Antennenelementen in einer
Array-Antenne wird typischerweise durch die Frequenz, mit der die
Antenne betrieben wird, festgelegt, und ein Keilschlitzantennenelement
passt bequem in den Raum, der für
ein Antennenelement in vielen Array-Antennen zur Verfügung steht.
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Die
europäische
Patentanmeldung
EP 0 343 322 beschreibt
eine Antenne mit einem Streifenleiter und einer Grundfläche, die
von dem Streifenleiter getrennt ist und parallel zum Streifenleiter
liegt. Die Grundfläche weist
einen Schlitz auf, der sich quer zum Streifenleiter erstreckt.
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Das
US-Patent
US 6,008,770 beschreibt
eine Keilschlitzantenne, die ein sich verjüngende Struktur bereitstellt,
die unter Verwendung einer Fermi-Dirac-Verteilungsfunktion aufgebaut ist.
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Tan-huat
Chio et al. in "Large
wideband dual-polarized array of Vivaldi; antennas with radome," Microwave conference
1999, Asia Pacific Singapore 30. November-3. Dezember 1999, Seiten 92-95 (XP010374119),
ISBN: 0-7803-5761-2, beschreibt eine Keilschlitzantenne mit zwei
Grundflächen,
mit einem dazwischen befindlichen Dielektrikum, auf dem eine Streifenleiterzuführung vorgesehen
ist.
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Existierende
Keilschlitzantennenelemente weisen typischerweise eine Bandbreite
von etwa 3:1 bis 4:1 auf, obwohl manche eine Bandbeite aufweisen,
die sich 6:1 nähert.
Obwohl diese Keilschlitzantennenelemente allgemein adäquat für ihre intendierten
Zwecke gewesen sind, sind sie nicht in jeder Hinsicht zufrieden
stellend gewesen. In dieser Hinsicht gibt es Anwendungsbereiche,
bei der es für
ein Keilschlitzantennenelement erwünscht ist, eine breitbandige
Leistung bereitzustellen, die eine Bandbreite in der Nachbarschaft
von 10:1 oder sogar größer beinhaltet.
Existierende Entwürfe
und Entwurfstechniken sind nicht in der Lage gewesen, ein Keilschlitzantennenelement
bereitzustellen, die sich diesem erwünschten Maß an Breibandleistung annähern.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Aus
dem Vorhergehenden wird deutlich, dass ein Bedürfnis nach einem Verfahren
und einer Vorrichtung entstanden ist, die in einem Keilschlitzantennenelement
zu einer breitbandigen Leistung beitragen, die eine wesentlich größere Bandbreite
zeigt, als sie bei vorexistierenden Keilschlitzantennenelementen
erhältlich war.
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Ein
Aspekt der vorliegenden Erfindung stellt ein Antennenelement, wie
in Anspruch 1 angegeben ist, bereit.
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Gemäß einem
ergänzenden
Aspekt der Erfindung wird ein Verfahren, wie in Anspruch 25 angegeben ist,
bereitgestellt.
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KURZBESCHREIBUNG DER FIGUREN
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Ein
besseres Verständnis
der vorliegenden Erfindung wird anhand der detaillierten Beschreibung,
die nachfolgt, im Zusammenspiel mit den begleitenden Figuren realisiert
werden, in denen:
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1 eine
schaubildliche, fragmentarische Vorderansicht einer Vorrichtung
ist, die Aspekte der vorliegenden Erfindung verkörpert, einschließlich eines
Antennenelements und eines Teils einer Antennenkuppel;
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2 eine
schaubildliche, fragmentarische Rückansicht der Vorrichtung 10 ist;
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3 eine
schaubildliche Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3 in 1 ist;
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4 eine
schaubildliche, fragmentarische Vorderschnittansicht der Vorrichtung
aus 1 entlang einer zentralen Fläche davon ist;
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5 ein
Graph ist, der die Form eines Randes des Schlitzabschnitts zeigt,
der ein Teil des Antennenelements aus 1 ist;
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6 eine
schaubildliche, fragmentarische und perspektivische Ansicht ist,
die einen Abschnitt der Rückseite
des Antennenelements 12 in einem vergrößerten Maßstab zeigt;
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7 eine
schaubildliche, fragmentarische und perspektivische Ansicht ist,
die in einem vergrößerten Maßstab einen äußeren Endabschnitt
der Vorrichtung aus 1 zeigt;
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8 eine
stark schaubildliche Ansicht der Vorrichtung aus 1 ist,
die eine Brechungseigenschaft zeigt, die durch bestimmte dielektrische
Schichten in der Antennenkuppel davon bewirkt wird;
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9 ein
Graph ist, der die Rückflussdämpfung in
der E-Ebenen-Abtastung als Funktion der Frequenz für die Vorrichtung
der 1 zeigt;
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10 ein
Graph ist, der die Rückflussdämpfung in
der H-Ebenen-Abtastung als Funktion der Frequenz für die Vorrichtung
der 1 zeigt;
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11 ein
Blockdiagramm ist, welches die funktionellen Abschnitte der Vorrichtung
aus 1 zeigt;
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12 eine
schaubildliche Ansicht einer segmentierten Übertragungsleitung ist, die
als ein Modell für die
Analyse einer Schlitzleitung dient, die in der Vorrichtung der 1 vorhanden
ist;
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13 eine
schaubildliche Ansicht in einem vergrößerten Maßstab der Endabschnitte von
vier der Übertragungsleitungssegmente
aus 12 ist, und ebenso in durchbrochenen Linien zeigt,
wie die Anzahl der Segmente durch Interpolation verdreifacht werden
können;
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14 eine
schaubildliche Ansicht einer der Übertragungsleitungssegmente
der 12 ist, das in theoretischer Form wiedergegeben
ist;
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15 ein
Flussdiagramm ist, welche eine Optimierungstechnik, die bei Entwurf
der Vorrichtung aus 1 verwendet wurde, zusammenfasst;
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16 eine
schaubildliche Vorderansicht eines Antennenelements ist, welches
eine alternative Ausführungsform
des Antennenelement aus 1 ist;
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17 eine
schaubildliche und perspektivische Ansicht eines Antennenelements
ist, weiches noch eine weitere alternative Ausführungsform des Antennenelements
aus 1 ist;
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18 eine
schaubildliche Schnittansicht entlang der Schnittlinie 18-18 in 17 ist;
und
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19 eine
schaubildliche, fragmentarische Schnittaufsicht eines Koaxialstreifenleiters
ist, der ein Bestandteil des Antennenelements aus 17 bildet.
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DETAILLIERTE BESCHREIBUND
DER ERFINDUNG
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1 ist
eine schaubildliche, fragmentarische Vorderansicht einer Vorrichtung 10,
die einen Antennenelement 12 und einen Teil einer Antennenkuppel 13 beinhaltet.
In der offenbarten Ausführungsform
ist die Vorrichtung 10 für die Verwendung in einem nicht
dargestellten, phasengesteuerten Array-Antennensystem konfiguriert.
Das Antennensystem beinhaltet mehrere Antennenelemente 12,
die in einem zweidimensionalen Array aus Reihen und Spalten angeordnet
sind, und beinhaltet eine Antennenkuppel, die sich über alle
andern Elemente erstreckt, wobei ein Abschnitt in dieser Antennenkuppel
bei 13 in 1 gezeigt ist.
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3 ist
eine schaubildliche Schnittansicht entlang der Schnittlinie 3-3
in 1. Wie am besten in 3 zu sehen
ist, beinhaltet das Antennenelement 12 zwei aneinander
grenzende und parallele Schichten 17 und 18 aus
einem dielektrischen Material. In dieser offenbarten Ausführungsform
weisen die dielektrischen Schichten jeweils eine Dielektrizitätskonstante
(Er) von etwa 3,0 auf. Die dielektrischen Schichten 17 und 18 sind
miteinander durch eine dünne
Schicht 19 aus einem Kleberfilm, der von einer Art ist,
die im Stand der Technik gut bekannt ist, verklebt. Die dielektrischen
Schichten 17 und 18 sind jeweils etwa 20 mils
dick. Der Kleberfilm 19 ist etwa 2-3 mils dick.
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4 ist
eine schaubildliche, fragmentarische Vorderschnittansicht der Vorrichtung 10 in
einer zentralen Fläche,
die sich zwischen den dielektrischen Schichten 17 und 18 erstreckt,
wobei der Klebefilm 19 aus Gründen der der Deutlichkeit weggelassen
wurde. Die dielektrische Schicht 17 weist an ihrer Vorderseite
eine erste Grundfläche 26 (1)
auf, die dielektrische Schicht 18 weist auf ihrer Rückseite
eine zweite Grundfläche 27 (2)
auf, und die die elektrische Schicht 18 weist auf ihrer
Vorderseite eine dritte Grundfläche,
die durch drei separate Abschnitte 28A, 28B und 28C (4),
die manchmal hierin kollektiv als Grundfläche 28 bezeichnet
werden, definiert, auf.
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Die
Grundflächen 26 und 27 sind
jeweils elektrolytisch abgeschiedene Metallschichten mit einer dünnen Goldabscheidung
auf deren Außenseite,
um korrosionsbeständig
zu sein. Die Grundflächen 26 und 27 haben
jeweils eine Gesamtdicke, die etwa 1-2 mils beträgt. Die Grundfläche 28 ist
eine elektrolytisch abgeschiedene Metallschicht, wie etwa 0,5-1
mils dick ist.
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In
die Grundfläche 26 ist
eine Ausnehmung geätzt,
und diese Ausnehmung beinhaltet einen Balunabschnitt 36 und
einen Schlitzabschnitt 37. Der Balunabschnitt 36 der
Ausnehmung ist etwa rechteckig, mit der Ausnahme dass die Ecken
aufweist, die leicht abgerundet sind. Sie weist eine Längenabmessung 38 und
eine Breitenabmessung 39 auf. In der offenbarten Ausführungsform
beträgt
die Längenabmessung 38 ein
Viertel der interessierenden Wellenlänge. Die Ausführungsform
der 1-4 ist für eine Verwendung in einem Frequenzbereich
von etwa 1,8 GHz bis 18 GHz optimiert, und die Längenabmessung 38 beträgt etwa
ein Viertel der Wellenlänge
einer Mittenfrequenz von etwa 10 GHz. Die Breitenabmessung 39 in
der offenbarten Ausführungsform
liegt im Bereich von etwa einem Viertel dieser Wellenlänge bis
etwa 3/8 dieser Wellenlänge.
Das heißt,
die Breitenabmessungen 39 ist wenigstens so groß wie die
Längenabmessung 38,
wird aber irgendwie unter einer halben Wellenlänge gehalten, um potentiell
unerwünschte
Betriebseigenschaften zu vermeiden.
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Im
Allgemeinen ist es erwünscht,
dass die Breitenabmessung 39 so groß wie möglich innerhalb dieser angegebenen
Randbedingungen sein sollte. In praktischer Hinsicht jedoch, wenn
die Betriebsfrequenz eines phasengesteuerten Array-Antennensystem allmählich zunimmt,
muss die Größe des Arrays
allmählich
abnehmen, da der Raum, der für
jedes Antennenelement zur Verfügung
steht, etwa einer Hälfte
der Wellenlänge
der höchsten
Betriebsfrequenz entspricht. Da somit der für jedes Antennenelement 12 zur
Verfügung
stehende Raum allmählich
abnimmt, nimmt der maximale Raum, der für die Breitenabmessung 39 des
Balunabschnitts 36 zur Verfügung steht ebenso allmählich ab.
Somit ist in 1 die Breitenabmessung 39 etwa
5% länger
als die Längenabmessung 38,
ist aber nicht 50% bis 70% länger
aufgrund der Raumbeschränkungen,
die durch den Betriebsfrequenzbereich des Antennensystems auferlegt
werden.
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Im
Folgenden wird auf den Schlitzabschnitt 37 der Ausnehmung
in der Grundfläche 26 eingegangen; der
Schlitzabschnitt 37 weist ein schmales Ende 25 auf,
das in Verbindung mit dem Balunabschnitt 36 entlang einer
der geradlinigen Seiten des Balunabschnitts 36 an einer
Stelle, die beabstandet von jedem Ende dieser geradlinigen Seite
ist, steht. Das gegenüberliegende
Ende des Schlitzabschnitts 37 ist erheblich breiter als
das schmale Ende. Die Formen der Ränder des Schlitzabschnitts 37 werden
nachfolgend detaillierter anhand 5 erörtert.
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Um
genauer zu sein, 5 ist ein Graph, der die Form
eines Randes des Schlitzabschnitts 37 zeigt, wobei die
horizontale Achse der Mittellinie des Schlitzes von dem Ende am
Balunabschnitt 36 zu dem Ende an der Antennenkuppel 13 entspricht.
Die vertikale Achse in 5 stellt die halbe Breite des
Schlitzes dar oder mit anderen Worten, den Abstand vom Rand des
Schlitzes zur Mittellinie. Die Ränder
des Schlitzabschnitts 37 sind zueinander bezüglich der
Mittellinie des Schlitzes spiegelsymmetrisch, und folglich wird
nur einer dieser Ränder
im Graph der 5 dargestellt.
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Es
wird aus 5 deutlich, dass die Ränder des
Schlitzabschnitts 37 nicht einer reinen Exponentialkurve
erster Ordnung folgen. Stattdessen weisen die Schlitzränder eine
Form auf, die sorgfältig
so konfiguriert wurde, dass Reflexionen minimiert und die Rückflussdämpfung reduziert
wird auf eine Weise, dass eine breite, 10:1 übersteigende Bandbreite ermöglicht wird.
Die Technik, die verwendet wird, um die Form der Schlitzkante auszubilden,
wird im Detail nachfolgend beschrieben. Zum jetzigen Zeitpunkt ist
es ausreichend, auf bestimmte Eigenschaften der spezifischen Form,
die in 5 für
den Schlitzabschnitt 37 gezeigt ist, hinzuweisen. Um genauer
zu sein, es ist ersichtlich, dass der schmalste Teil 41 des
Schlitzabschnitts 37 sich nicht genau an dem Ende des Schlitzabschnitts
befindet, das sich in den Balunabschnitt 36 öffnet, sondern
stattdessen in einem kleinen Abstand von diesem Ende beabstandet
ist. Dieser schmale Teil 41 stellt einen Bereich gesteigerter
Kapazität
bereit. Auch in Richtung des gegenüberliegenden Endes des Schlitzabschnitts 37 gibt
es eine signifikante Unstetigkeitsstelle 42, die nachfolgend
erörtert
wird. Des Weiteren ist jeder Rand des Schlitzabschnitts 37 irgendwie "wellig" im Abschnitt vom
Balunabschnitt 36 zur Unstetigkeitsstelle 42,
was nicht zufällig
schlangenförmig
ist, sondern stattdessen eine sorgfältig konfigurierte Form ist,
die Reflexionen und die Rücklaufdämpfung reduziert,
um die Bandbreite zu steigern und die Leistung zu verbessern.
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Ganz
allgemein gesagt die in 5 gezeigte Kurve kann als eine
Exponentialkurve etwa erster Ordnung beschrieben werden, wobei wenigstens
eine Charakteristik höherer
Ordnung der Charakteristik erster Ordnung überlagert ist, und tatsächlich weist
die besondere Kurve aus 5 eine Anzahl Charakteristiken
höherer
Ordnung auf, die der Charakteristik der ersten Ordnung überlagert
sind. In dieser Hinsicht kann die spezifische Kurve aus 5 unter
Verwendung von gut bekannten Kurvenanpassungstechniken in der Form
der folgenden Gleichung ausgedrückt
werden, wobei die Koeffizienten für die Gleichung in Tabelle
1 angegeben sind.
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TABELLE
1 – KOEFFIZIENTEN
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Im
Folgenden wird auf die 2 und 4 Bezug
genommen; die Grundfläche 27 weist
eine dadurch vorgesehene Ausnehmung auf, die einen Balunabschnitt 43 und
a Schlitzabschnitt 44 beinhaltet, und die Grundfläche 28 weist
eine dadurch vorgesehene Ausnehmung auf, die einen Balunabschnitt 46 und
einen Schlitzabschnitt 47 beinhaltet. Die Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 weisen
alle dieselbe Größe und Form,
insbesondere die Form, die im Zusammenhang mit 5 zuvor
beschrieben wurde, auf. Des Weiteren sind die Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 genau
zueinander gefluchtet. Auf ähnliche
Weise haben die Balunabschnitte 36, 43 und 46 alle
dieselbe Größe und Form
und sind zueinander genau gefluchtet.
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Die
dielektrischen Schichten 17 und 18 weisen jeweils
eine dadurch verlaufende etwa rechteckige Öffnung auf, die dieselbe Größe und Form
wie die Balunabschnitte 36, 43 und 46 aufweist
und die mit den Balunabschnitten 36, 43 und 46 gefluchtet
ist. Gemeinsam bilden diese gefluchteten Öffnungen mit etwa rechteckiger
Form in den drei Grundflächen
und die zwei dielektrischen Schichten ein Balunloch 49 mit
nahezu rechteckiger Form, das sich vollständig durch das Antennenelement 12 erstreckt.
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6 ist
eine schaubildliche, fragmentarische und perspektivische Ansicht
eines Abschnitts der Rückseite
des Antennenelements 12 in einem vergrößerten Maßstab. Die Balunöffnung 49 durch
das Antennenelement 12 ist mit einem elektrisch leitenden
Material beschichtet, so dass sich ein Streifen 51 dieses
leitenden Materials entlang der Ränder des Balunloches erstreckt.
Die Enden des Streifens 51 sind zueinander beabstandet,
um einen Schlitz 52 zu definieren, der mit den schmalen
Enden des Schlitzabschnitts 37, 44 und 47 gefluchtet
ist. Der Streifen 51 erstreckt sich zwischen den Grundflächen 26 und 27 und
ist mit diesen elektrisch verbunden und steht ebenso in elektrischem
Kontakt mit der Grundfläche 28A.
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Beim
Antennenelement 12 sind ebenso dessen gegenüberliegende
Seitenränder
mit einem elektrisch leitenden Material beschichtet, so dass die
entsprechenden Streifen 53 und 54 dieses leitenden
Materials sich über
die gesamte Länge
der dielektrischen Elemente 17-18 erstrecken und
sich ebenso zwischen jeder der Grundflächen 26 und 27 erstrecken
und mit diesen elektrisch verbunden sind. Der Streifen 53 steht über seine gesamte
Länge ebenso
in elektrischem Kontakt mit der Grundfläche 28A und der Streifen 54 steht
in elektrischem Kontakt mit jeder der Grundflächen 28B und 28C.
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Die
dielektrischen Schichten 17 und 18 weisen respektive
keilförmige,
dadurch verlaufende Öffnungen 57 und 58 auf,
die eine identische Größe und Form
aufweisen und miteinander gefluchtet sind. Die Öffnungen 57 und 58 beginnen
an den äußeren Enden
der dielektrischen Elemente 17 und 18, und deren
Breite nimmt allmählich
in Richtung des Balunloches 49 ab. Die sich verjüngenden
Seiten der Öffnungen 57 und 58 sind nach
innen von den sich verjüngenden
Rändern
des Schlitzabschnitts 37, 44 und 47 beabstandet.
In einer Richtung entlang der Mittellinie der Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 sind
die inneren Enden der Öffnungen 57 und 58 in
etwa mit der Unstetigkeitsstelle 42 (5)
gefluchtet. Die Unstetigkeitsstelle 42 kompensiert in gewissem
Umfang eine Impedanzunstetigkeit, die innerhalb des dielektrischen
Materials am Beginn der Öffnungen 57 und 58 an
deren linken Enden verursacht wird. Die Schicht 19 des
Klebefilms (3) weist eine durch ihn verlaufende,
keilförmige Öffnung,
die von identischer Größe und Form
wie die Öffnungen 57 und 58 ist,
und die mit den Öffnungen 57 und 58 gefluchtet
ist.
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Die
Grundfläche 28 (4)
weist zusätzlich
zur Ausnehmung, die den Balunabschnitt 46 und den Schlitzabschnitt 47 beinhaltet,
eine weitere Ausnehmung 66 auf, die ein lang gestreckter
Kanal ist, der sich von einem inneren Ende der dielektrischen Schicht 18 um
den Balunabschnitt 46 herum erstreckt, und sich in das schmale
Ende des Schlitzabschnitts 47 öffnet. Der Kanal 66 steht
entlang einer Seite mit dem Balunabschnitt 46 in Verbindung,
aber es würde
alternative möglich
sein, dass sich ein Abschnitt der Grundfläche 28A zwischen ihnen
erstreckt.
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Ein
lang gestreckter leitender Streifen 67 erstreckt sich durch
den Kanal 66, so dass ein Ende am inneren Ende der dielektrischen
Schicht 18, das auf der linken Seite der 1 angeordnet
ist, platziert ist, und das andere Ende erstreckt sich über das
schmale Ende des Schlitzabschnitts 47 und ist unmittelbar
mit der Grundfläche 28A kurzgeschlossen.
Der leitende Streifen 67 und die Grundfläche 28A werden
hierin so diskutiert, als ob sie physikalisch unabhängige Teile
seien, da sie unterschiedliche Betriebsfunktionen im Antennenelement 12 übernehmen.
In praktischer Hinsicht sind jedoch die Grundfläche 28A und der leitende
Streifen 67 lediglich unterschiedliche integrale Bestandteile
derselben leitenden Schicht.
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Im
Folgenden wird auf 1 Bezug genommen; eine nahezu
halbkreisförmiger
Ausschnitt 71 ist durch die Grundfläche 26 und die dielektrische
Schicht 17 vorgesehen, um einen Endabschnitt des leitenden
Streifens 67, und einen Endabschnitt jedes Abschnitts 28A und 28C der
Grundfläche 28 frei
zu legen. Dies gestattet einem Kontakt einer nicht dargestellten
Verbinderanordnung mit dem Streifen 67 beziehungsweise
den Grundflächenabschnitten 28A und 28C in
Eingriff zu kommen, um den leitenden Streifen 67 des Antennenelements 12 mit
einer Antennensystemschaltung, die aus dem Stand der Technik wohl
bekannt ist und daher in den Figuren nicht gezeigt ist, elektrisch
zu verbinden. Im Falle des Antennenelements 12, das in
der 1 gezeigt ist, ist die nicht dargestellte Antennensystemschaltung
elektrisch mit der Anordnung der untereinander verbundenen Grundflächen durch
den direkten Eingriff eines Metallchassis des Antennensystems mit
einer oder mehreren der äußeren Grundflächen 26-27 und
den leitenden Streifen 53-54 verbunden.
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Der
leitende Streifen 67 dient als ein leitendes Element der
Art, die allgemein im Stand der Technik als ein Streifenleiter bezeichnet
wird, und trägt
Signale, die vom Antennenelement 12 übertragen oder empfangen werden.
Die direkte Verbindung zwischen der Grundfläche 28A und einem
Ende des Streifenleiters 67 stellt einen elektrischen Abschluss
jenes Endes des Streifenleiters dar 67. Da der Streifenleiter 67 unmittelbar
in der Grundfläche 28 endet,
sind Reaktanzen, wo der Streifenleiter 67 sich über den
Schlitzabschnitt 47 erstreckt, im Vergleich zu vorexistierenden
Geräten
minimiert, wo der Streifenleiter mittels eines Durchkontakts mit
einer Grundfläche
auf der gegenüberliegenden
Seite einer dielektrischen Schicht verbunden ist oder wo der Streifenleiter
in einer gewissen Form einer selbstständigen Abschlussstruktur endet,
die ausgelegt ist, die Resonanz einer stehenden Welle zu erzeugen.
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Mehrere
Durchkontakte erstrecken sich durch beide dielektrischen Schichten 17 und 18 an
einer Anzahl verschiedener Stellen, um so all drei der Grundflächen 26- 28 elektrisch
zu verbinden. Drei dieser Durchkontakte sind mit den Bezugszeichen 76, 77 und 78 gekennzeichnet.
Die Durchkontakte vereinfachen die präzise Kontrolle über die
Impedanzeigenschaften innerhalb der Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 und
entlang des Streifenleiters 67, und helfen auch bei der
Reduzierung oder Eliminierung des Umfangs, in dem die elektromagnetischen
Felder Parallelplatten- und
Wellenleitermoden innerhalb des dielektrischen Materials ausbilden können. Einer
der dargestellten Durchkontakte ist mit dem Bezugszeichen 79 gekennzeichnet,
und weist einen leicht größeren Durchmesser
als der Rest der Durchkontakte auf. Der Durchkontakt 79 ist
nahe benachbart dem Punkt angeordnet, an dem ein Ende des Streifenleiters 67 unmittelbar
in dem Grundflächenabschnitt 28A endet,
und dient dazu, sicher zu stellen, dass dieses Ende des Streifenleiters 67 direkt
und sicher nicht nur mit der zentralen Grundfläche 28 sondern auch
mit den zwei äußeren Grundflächen 26-27 abschließt. Es wird deutlich
werden, dass eine betreffende Reihe der Durchkontakte sich benachbart
zu jedem Rand des Schlitzabschnitts 37, 44 und 47 mit
etwa gleichmäßiger Beabstandung
von jedem Durchkontakt zum Rand des Schlitzabschnitts und mit nahezu
gleichmäßigem Abstand
zwischen benachbarten Durchkontakten erstreckt. Hinter jeder dieser
Reihen entlang nahezu der gesamten Länge davon befindet sich eine
weitere Reihe von Durchkontakten.
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7 ist
eine schaubildliche, fragmentarische und perspektivische Ansicht
des äußeren Endabschnitts
der Vorrichtung 10 in einem vergrößerten Maßstab. Wie am besten in 7 zu
erkennen ist, beinhaltet die Antennenkuppel 13 eine dielektrische
Schicht 91, die fest mit einem äußeren Ende des Antennenelements 12 durch
einen Klebefilm 92 verbunden ist, eine zweite dielektrische
Schicht 93, die fest mit der dielektrischen Schicht 91 durch
einen Klebefilm 94 verbunden ist, und eine dritte dielektrische
Schicht 97, die fest mit der dielektrischen Schicht 93 durch
einen Klebefilm 98 verbunden ist. Die Klebefilme 92, 94 und 98 bestehen
aus Materialien der Art, die im Stand der Technik wohl bekannt sind.
Die dielektrische Schicht 97 ist vergleichsweise dünn und dient
primär
als schützende, äußere Abdeckung.
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In
der Ausführungsform
der 7 weisen die dielektrischen Schichten 91, 93 und 97 jeweils
eine Dicke von 120 mils, 60 mils beziehungsweise 2 mils auf, und
haben entsprechende Dielektrizitätskonstanten
(Er) von 1,08, 1,3 und 3,6. Alternativ könnten die dielektrischen Schichten 91, 93 und 97 jeweilige
Dicken von 60 mils, 120 mils beziehungsweise 2 mils und jeweilige
dielektrischen Konstanten von 1,3, 1,08 beziehungsweise 3,6 aufweisen.
Die dielektrischen Schichten 91 und 93 sind gegenüber Strahlung
durchlässig,
die vom Antennenelement 12 übertragen oder empfangen wird.
Des Weiteren bewirken die dielektrischen Schichten 91 und 93 einen
Brechungsgrad dieser Strahlung, wie nachfolgend detaillierter diskutiert
werden wird. Die dielektrischen Schichten 91 und 93 können auch
einen kleines Maß an
Impedanzanpassung zwischen dem benachbarten breiten Ende des Schlitzabschnitts,
das an dessen einer Seite angeordnet ist, und dem freien Raum, der
auf dessen anderer Seite angeordnet ist, bewirken.
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Was
dies betrifft und mit Bezug auf 4 verläuft, wenn
ein elektrisches Signal an das linke Ende des Streifenleiters 67 angelegt
wird, das Signal durch den Streifenleiter zu dessen gegenüberliegendem
Ende, wo sich der Streifenleiter quer über den Schlitzabschnitt 47 erstreckt.
Somit ruft das elektrische Signal ein elektromagnetisches Feld um
den Streifenleiter herum hervor, welches die Neigung hat, sich in
entgegen gesetzte Richtungen innerhalb des „Schlitzleiters", der durch die Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 definiert
ist, fortzupflanzen. Der Schlitzleiter weist eine nahezu progressiv
zunehmende Impedanz von dessen linkem Ende in Richtung dessen rechten
Endes, von einer Impedanz von etwa 50 Ohm im Bereich des Streifenleiters 67 zu
einer Impedanz von etwa 340 bis 350 Ohm am breiten äußeren Ende,
auf. Der Streifenleiter 67 und die nicht dargestellte Antennensystemschaltung,
an die dieser angeschlossen ist, sind so aufeinander angepasst,
dass sie eine im Wesentlichen gleichförmige Impedanz von etwa 50
Ohm von der Schaltung durch den Streifenleiter 67 zum Schlitzleiter
bereitstellen. Der freie Raum jenseits des rechten Endes der Vorrichtung 10 weist
eine Impedanz von etwa 377 Ohm auf, für eine zweidimensionale quadratische
Einheitszelle, die einer gleichförmigen Beabstandung
in beide Richtungen des zweidimensionalen Arrays aus Antennenelementen 12 innerhalb
des phasengesteuerten Array-Antennensystems entspricht. Der Schlitzleiter
bewirkt eine Impedanztransformation von einem Wert von etwa 50 Ohm
am linken Ende, der auf die Impedanz des Streifenleiters 67 angepasst
ist, auf einen Wert von etwa 360-370 Ohm am rechten Ende, was nahe
an die Impedanz des freien Raums angenähert ist.
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Durch
die Verwendung der drei Grundflächen 26-28 wird
mehr leitendes Material entlang der Ränder des Schlitzleiters bereitgestellt
als bei vorexistierenden Anordnungen, die lediglich eine oder zwei
Grundflächen
aufweisen, was im Gegenzug zu einer zunehmenden Kapazität innerhalb
des Schlitzleiters führt.
Die gesteigerte Kapazität
gestattet es, dass das schmale Ende des Schlitzleiters leicht breiter
als in vorexistierenden Geräten
ist, während
immer noch eine Impedanz von 50 Ohm erreicht wird, die auf die Impedanz
des Streifenleiters 67 angepasst ist. Je breiter das schmalere
Ende des Schlitzleiters ist, desto leichter fällt die Herstellung der Grundflächen 26-28 aufgrund
der Tatsache, dass Toleranzen, die bei den Ätztechniken für die Grundflächen involviert
sind, feststehen.
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Die
keilförmigen Öffnungen 57 und 58 innerhalb
der dielektrischen Schichten 17 und 18 und die
kongruent keilförmige Öffnung innerhalb
der Klebefilmschicht 19, helfen bei der Erleichterung dieser
Impedanztransformation, indem die Menge des dielektrischen Materials
und des Klebefilmmaterials, die innerhalb des Schlitzleiters an
dessen rechtem Ende angeordnet sind, minimiert werden. Somit wird
am rechten Ende des Antennenelements 12 die Impedanz innerhalb
des Schlitzleiters sich dichter an die Impedanz des freien Raums
annähern,
der sich jenseits des rechten Endes der Vorrichtung 10 befindet,
als es der Falls sein würde, wenn
die Öffnungen 57 und 58 entfallen
würden
und das rechte Ende des Schlitzleiters vollständig mit dielektrischem Material
ausgefüllt
wäre. Dies
beruht auf der Tatsache, dass Luft eine ein wenig höhere Impedanz
als das dielektrische Material aufweist, und durch Vorsehen der Öffnungen 57 und 58 ersetzt
Luft das, was anderweitig dielektrisches Material sein würde.
-
Wie
zuvor erwähnt,
ist das Balunloch 49 so ausgelegt, dass die Breitenabmessung 39 (1)
im Bereich, wo sich der Schlitzleiter in das Balunloch 49 öffnet, so
groß wie
möglich
ist, bis zu 3/8 der Wellenlänge, die
von Interesse ist. Dies geschieht mit der Absicht, die größtmögliche Impedanzunstetigkeit
zwischen dem Balunloch 49 und dem schmalen Ende des Schlitzleiters
zu schaffen. Diese große
Unstetigkeit wird durch die Tatsache gefördert, dass der Schlitzleiter
sich in das Balunloch 49 über eine Seite des Balunlochs 49,
die nahezu geradlinig ist und an einer Stelle öffnet, die zu beiden Enden
dieser geradlinigen Seite beabstandet ist.
-
In
der offenbarten Ausführungsform
weist das Balunloch eine Impedanz von etwa 300 Ohm auf, was eine
vergleichsweise große
Unstetigkeit in Relation zu der 50 Ohm Impedanz des angrenzenden
Endes des Schlitzleiters darstellt. Wie zuvor bemerkt, werden die
elektromagnetischen Felder, die durch den Streifenleiter 67 erzeugt
werden, wo dieser den Schlitzleiters kreuzt, die Tendenz haben,
sich in beide Richtungen entlang des Schlitzleiters fortzupflanzen.
Jedoch wird die große
Impedanzunstetigkeit zwischen dem Balunloch 49 und dem
linken Ende des Schlitzleiters dafür sorgen, dass die Mehrheit
dieser elektromagnetischen Energie nach rechts statt nach links
entlang des Schlitzleiters wandert und in den freien Raum übertragen
wird. In dem Umfang, dass ein kleiner Teil der elektromagnetischen
Energie nach links wandert, weist das Balunloch 49 eine Längenabmessung
auf, die etwa ein Viertel der Wellenlänge (wie zuvor diskutiert)
beträgt,
und dies erzeugt eine stehende Welle der offenen Schaltung, die
auch die Neigung hat, zu bewirken, dass die elektromagnetische Energie
nach rechts innerhalb des Schlitzleiters wandert.
-
Wie
im Zusammenhang mit 6 vorher diskutiert, ist der
innere Rand des Balunloches 49 mit einem leitenden Streifen 51 beschichtet,
ausgenommen beim Schlitzleiter. Der Streifen 51 hilft dabei
die elektromagnetischen Felder innerhalb des Balunloches 49 zu
halten und davon abzuhalten, in das dielektrische Material der Schichten 17 und 18 einzudringen,
was die Zunahme der Bandbreite des Systems unterstützt. Folglich
hilft der Streifen 51 bei der Ausbildung der stehenden
Welle oder dem Erhalt der Resonanzbedingung hinsichtlich der elektromagnetischen
Energie innerhalb des Balunloches 49, was wiederum hilft,
die elektromagnetische Energie nach rechts innerhalb des Schlitzleiters
auszurichten. In gewissem Sinne ist das Balunloch 49 ein
abgestimmtes induktives Loch, was oberhalb einer Bandbreite von
10:1 ohne elektrische oder strukturelle Anpassung betrieben werden
kann.
-
In
der offenbarten Ausführungsform
weist das Balunloch 49 kein dielektrisches Material in
sich auf. Somit ist das Balunloch 49 mit Luft statt mit
dielektrischem Material gefüllt.
Bei einer gegebenen Frequenz ist die Wellenlänge der elektromagnetischen
Strahlung länger
in Luft, als sie in dielektrischem Material sein würde. Folglich
wird im Umfang, dass das Balunloch 49 so breit wie möglich gemacht
wird, um die Impedanzunstetigkeit zwischen dem Balunloch und dem
angrenzenden Ende des Schlitzleiters zu maximieren, eine gegebene Breite
weiter unter einer halben Wellenlänge liegen, wenn das Balunloch
mit Luft gefüllt
ist, als es der Fall sein würde,
wenn das Balunloch mit dielektrischem Material gefüllt sein
würde.
-
Wenn
die elektromagnetische Strahlung das rechte Ende des Antennenelements 12 erreicht,
geht sie durch die Antennenkuppel 13 hindurch und wird
in den freien Raum emittiert. Wie zuvor erwähnt, verleihen die dielektrischen
Schichten 91 und 93 der Antennenkuppel 13 einen
Grad von Brechung dieser elektromagnetischer Strahlung.
-
Diese
Brechung tritt auf hinsichtlich Wellenfronten, die vom Antennensystem übertragen
oder empfangen werden und die in einem Winkel bezüglich der
Peilrichtung des Antennensystems, die parallel zu den Mittellinien
der Schlitzabschnitte der Antennenelemente verläuft, ausgerichtet sind. Wellenfronten
die rechtwinklig zur Peilrichtung des Antennensystems und somit
rechtwinklig zu den Mittellinien der Schlitzabschnitte in den Antennenelementen
stehen, werden nicht einer Brechung unterzogen oder mit anderen
Worten, werden so angesehen, dass sie einer Brechung von 0° unterliegen.
Die folgende Diskussion der Brechung nimmt an, dass die involvierten
Wellenfronten in einem Winkel zur Peilrichtung des Antennensystems
und den Mittellinien der Schlitzabschnitte der Antennenelemente
ausgerichtet sind.
-
In
dieser Hinsicht ist 8 eine stark schaubildliche
Ansicht der Vorrichtung 10, die beides, das Antennenelement 12 und
die Antennenkuppel 13, beinhaltet. Der Pfeil 111 stellt
die elektromagnetische Strahlung dar, die sich nach außen durch
den Schlitzleiter ausbreitet. Weil diese Strahlung die Grenzfläche zwischen dem
Antennenelement 12 und der dielektrischen Schicht 91 passiert,
wird sie in einem Maß gebrochen,
so dass sie sich in leicht anderer Richtung fortpflanzt, wie schaubildlich
in 8 durch den Pfeil 112 angedeutet.
-
Auf ähnliche
Weise, weil diese Strahlung die Grenzfläche zwischen der dielektrischen
Schicht 91 und der dielektrischen Schicht 93 passiert,
erfährt
sie ein weiteres Maß an
Brechung, die deren Winkel weiter vergrößert, wie schaubildlich durch
den Pfeil 113 angedeutet ist. Dann, weil diese Strahlung
die Grenzfläche
zwischen der dielektrischen Schicht 93 und dem freien Raum
passiert, wird sie etwas mehr gebrochen, so dass sie sich in einem
leicht größeren Winkel
fortpflanzt, wie schaubildlich durch den Pfeil 114 angedeutet
ist. Diese Brechung innerhalb der Antennenkuppel 13 gestattet
den effizienteren Betrieb der Vorrichtung 10 über einem breiteren
Abtastwinkel, der in der offenbarten Ausführungsform sich an etwa 50° bis 60° annähert. In
gewissem Sinne bewirkt die Brechung, dass ein Teil der Strahlung,
die an jedem Rand des Abtastwinkels übertragen wird, einen höheren effektiven
Leistungspegel aufweist, als es der Fall ohne eine solche Brechung
sein würde.
-
Das
Vorsehen der keilförmigen Öffnungen 57 und 58 in
der dielektrischen Schicht des Antennenelement 12 gestattet
die Verwendung niedrigerer Dielektrizitätskonstanten für die dielektrischen
Schichten 91 und 93 der Antennenkuppel 13,
als es anderweitig der Fall sein würde. Diese reduziert im Gegenzug
den Umfang, mit dem die elektromagnetische Energie in transversale Oberflächenwellen
innerhalb der dielektrischen Schichten umgeleitet wird, was beispielsweise
schaubildlich durch einen aus einer durchbrochenen Linie bestehendem
Pfeil 117 angedeutet wird, was im Gegenzug einen Effekt
verringert oder verhindert, der manchmal als Abtastblindheit bezeichnet
wird.
-
Obwohl
die vorhergehende Diskussion der Brechung im Zusammenhang mit übertragener
Strahlung präsentiert
wurde, wird der Fachmann erkennen, dass empfangene Strahlung auch
der Brechung unterliegt. In 8 beispielsweise
stellt das Bezugszeichen 121 schaubildlich Strahlung dar,
die sich dem Antennenelement 12 in einem Winkel zur Mittellinie
des Schlitzabschnitts in dem Antennenelement 12 nähert. Weil
diese Strahlung die Antennenkuppel 13 passiert und in das
Antennenelement 12 eindringt, wird die Strahlung schrittweise
gebrochen, wie schaubildlich durch die Pfeile 122, 123 und 124 angedeutet
ist, bis die Strahlung sich durch den Schlitzabschnitt 5 des
Antennenelements 12 nahezu parallel zur Mittellinie fortsetzt.
-
9 ist
ein Graph, der die Rückflussdämpfung als
eine Funktion der Frequenz der Ausführungsform der 1-8 zeigt,
was im Stand der Technik als E-Ebenen-Abtastung
bekannt ist. Da die Rückflussdämpfung ein
Standardweg ist, die Reflexionsmenge auszudrücken, ist es wünschenswert,
dass die Rückflussdämpfung so
gering wie möglich
ausfällt.
Es wird deutlich werden, dass die Vorrichtung 10 eine Rückflussdämpfung bereitstellt,
welche kontinuierlich unter –10
dB für
eine Abtastbreite von 60° über eine
Bandbreite von etwa 1,8 GHz bis etwa 17,5 GHz liegt. Fachleute werden
erkennen, dass, in einem anderen Industriestandard ausgedrückt, die
Ausführungsform
der 1-8 eine Bandbreite von wenigstens
10:1 für –9,5 dB (Welligkeitsfaktor
[VSWR] weniger als 2) bereitstellt.
-
10 ist
ein Graph, der dem aus 9 ähnlich ist, aber die Rückflussdämpfung für eine aus
dem Stand der Technik allgemein bekannte H-Ebenen-Abtastung zeigt. 10 zeigt,
dass die Vorrichtung 10 eine Rückflussdämpfung von –10 dB über eine Abtastbreite von 45° bis 50° von einer
Frequenz von etwa 3,5 GHz bis zu einer Frequenz über 18 GHz bereitstellt.
-
Obwohl
die vorhergehende Diskussion primär im Kontext von Signalen geführt wurde,
die durch die Vorrichtung 10 der 1 übertragen
werden, ist die Vorrichtung 10 gleichermaßen für die Verwendung
zum Empfang elektromagnetischer Signale geeignet. Fachleute werden
aus der vorhergehenden Diskussion die Signalübertragung betreffend verstehen,
wie die Vorrichtung 10 zum Zwecke des Signalempfangs arbeiten
würde.
-
Die
vorteilhaften Leistungseigenschaften, wie die solchen, die durch
die 9 und 10 widergespiegelt werden, beruhen
teilweise auf der Form, die für
die Ränder
der Schlitzabschnitte 37, 44 und 47 vorgegeben
sind, die gemeinsam als der Schlitzleiter des Antennenelements 12 dienen.
Es wird nun eine Erklärung
gegeben, wie die Form der Ränder
der Schlitzabschnitte ermittelt wird.
-
Diesbezüglich und
anhand der 1 und 4, wird
die Vorrichtung in konzeptioneller Hinsicht in drei funktionelle
Sektionen unterteilt, um eine Analyse durchzuführen, die eine optimale Form
für die
Ränder
der Schlitzabschnitte festlegt. Um genauer zu sein, eine funktionelle
Sektion wird als Balun bezeichnet und entspricht in etwa dem Balunloch 49 und
dem leitenden Streifenleiter 67. Die nächste funktionelle Sektion
wird als Schlitz bezeichnet und entspricht in etwa dem Teil des
Schlitzabschnitts, der sich vom Balunloch 49 zur Unstetigkeitsstelle 42 am
linken Ende der keilförmigen Öffnungen 57 und 58 erstreckt.
Die dritte funktionelle Sektion 203 wird als Endstück bezeichnet
und entspricht in etwa dem Teil der Vorrichtung 10, die
rechts von der Unstetigkeitsstelle 42 angeordnet ist, insbesondere
vom linken Ende der keilförmigen Öffnungen 57-58 zur
rechten Seite der äußeren dielektrischen
Schicht 97.
-
11 ist
ein Diagram, welches drei Blöcke 201-203 aufweist,
die jeweils die drei funktionellen Sektionen, die zuvor diskutiert
wurden, nämlich
die Balun-, Schlitz- und
Endstücksektion,
darstellen. Gemeinsam entsprechen die Blöcke 201-203 der
Vorrichtung 10 aus 1, wie schaubildlich
durch eine durchbrochene Linie in 11 angedeutet
ist. Jeder der Blöcke 201-203 ist
als ein Zweiportelement dargestellt, welches einen Port mit zwei
Anschlüssen
auf der linken Seite und einen weiteren Port mit zwei Anschlüssen auf
der rechten Seite beinhaltet. Benachbarte Ports benachbarter Blöcke sind
untereinander verbunden. Der Port des Endstücks 203 ist auf der
rechten Seite mit einem weiteren Block 208 verbunden, welcher
schaubildlich die Impedanz des freien Raums darstellt, der jenseits
des rechten Endes der Vorrichtung 10 in 1 angeordnet
ist.
-
Wie
es aus dem Stand der Technik bekannt ist, können Zweiportblöcke, wie
solche, die bei
201-
203 dargestellt sind, jeweils
durch eine allgemein bekannte [ABCD]-Matrix dargestellt werden.
Wird zum Beispiel das Augenmerk auf den Block
202 in
11 gerichtet,
welcher den Schlitz darstellt, weist der linke Port eine Spannung
V
x und einen Strom I
x und
der rechte Port eine Spannung V
y und einen Strom
I
y.auf. Das Verhältnis zwischen diesen Ports
kann durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden, wobei der Index "S" die Schlitzsektion identifiziert:
-
Auf ähnliche
Weise und immer noch mit Bezug auf
11 kann
die Gesamttransferfunktion der Vorrichtung
10 durch eine
einzelne [ABCD]-Matrix wie folgt dargestellt werden:
und wo die Indexe "APP", "B", "S" und "EP" jeweils die Vorrichtung
10,
die Balunsektion
201, die Schlitzsektion
202 beziehungsweise
die Endstücksektion
203 bezeichnen.
-
Bevor
versucht wird, eine optimale Form für die Ränder des Schlitzes zu bestimmen,
werden der Balun und das Endstück
(die den Blöcken 201 und 203 entsprechen)
entworfen, um geeignete Entwurfsziele zu erreichen. Beispielsweise
weist, wie zuvor diskutiert, das Balunloch 49 (1)
diverse Aspekte, wie etwa Form, Größe und die Abwesenheit des
dielektrischen Materials auf, mit denen beabsichtigt wird, das Entwurfsziel
einer großen
Impedanzunstetigkeit zwischen dem Balunloch und dem Schlitzleiter
zu erreichen, die im Gegenzug eine breite Bandbreite des Antennenelements 12 unterstützt. Mögliche Entwurfskonfigurationen
für sowohl den
Balun als auch das Endstück
können
strikt mit einem existierenden Software-Programm analysiert werden,
um erwartete Betriebseigenschaften zu ermitteln. Ein geeignetes
Software-Programm für
diese Aufgabe ist unter der Handelsbezeichnung „High Frequency Structure
Simulator (HFSS)" erhältlich und
ist von Ansoft Corporation of Pittsburgh, Pennsylvania, kommerziell
erhältlich.
-
Sobald
der physikalische Entwurf der Balunsektion und der Endstücksektion
vervollständigt
wurde, werden einige geeignete [ABCD]-Matrizen für jedes ermittelt. In dieser
Hinsicht ist die Vorrichtung 10 für die Verwendung über einen
Frequenzbereich, der von Interesse ist, ausgelegt. Die Betriebseigenschaften
der Balunsektion werden bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich
ausfallen, und die Betriebseigenschaften der Endstücksektion
werden bei verschiedenen Frequenzen unterschiedlich ausfallen. Folglich
werden einige vorbestimmte Frequenzen ausgewählt, die über den Frequenzbereich, der
von Interesse ist, verteilst sind. Dann wird eine entsprechend unterschiedliche
[ABCD]-Matrix für
die Balunsektion 201 für
jede ausgewählte Frequenz
ermittelt, und eine entsprechend unterschiedliche [ABCD]-Matrix
für die
Endstücksektion 203 für jede solche
Frequenz ermittelt.
-
Geeignete
Techniken zur Bestimmung einer [ABCD]-Matrix aus einem physikalischen
Entwurf sind im Stand der Technik bekannt. Beispielsweise können Parameter,
die dem physikalischen Entwurf entsprechen einem bekannten Software-Programm bereitgestellt
werden, welche eine Form einer Transferfunktion dann berechnen kann,
die im Stand der Technik als eine [S]-Matrix bekannt ist. Das HFSS
Computerprogramm, das zuvor erwähnt
wurde, ist für
diese Aufgabe geeignet. Danach kann die [S]-Matrix in eine entsprechende
[ABCD]-Matrix unter Verwendung bekannter mathematischer Techniken
konvertiert werden.
-
Im
Folgenden wird auf die Schlitzsektion 202 der 11 Bezug
genommen; ein Aspekt der vorliegenden Erfindung ist die Bereitstellung
einer Technik, bei der der Abschnitt des Schlitzleiters, der dem
Block 202 entspricht, durch ein Model repräsentiert
wird, welches eine Übertragungsleitung
mit derselben Größe und Form
wie der Schlitz ist, wobei die Übertragungsleitung
in der Form einer Anzahl aneinandergrenzender Übertragungsleitungssegmente
vorliegt. Beispielsweise ist 12 eine
schaubildliche Ansicht eines Modells, welches eine Übertragungsleitung 241 ist,
die aus mehreren N, aneinandergrenzenden rechteckigen Segmenten SEG1,
SEG2, SEG3, ...SEGN aufgebaut ist. In 12 gibt
es 40 Segmente, und somit ist N = 40. Die Mittellinie des Schlitzes
ist schaubildlich mit 243 bezeichnet, und die äußeren Enden
der N Segmente repräsentieren gemeinsam
die Ränder
des Schlitzes. Die Segmente haben alle dieselbe Länge in einer
Richtung parallel zur Mittellinie 243, weisen aber eine
Vielfalt unterschiedlicher Breiten in einer Richtung quer zur Mittellinie 243 auf. Die
Segmente in 12 entsprechen nicht notwendigerweise
der präzisen
Schlitzform, die in 5 gezeigt ist, sondern können stattdessen
als repräsentativ
für eine
Anzahl verschiedener Formen erachtet werden, die zur Bestimmung
der Form, die als die optimale Form dienen sollte und die in 5 gezeigt
ist, begutachtet werden.
-
Um
eine optimale Form für
die Ränder
des Schlitzes zu ermitteln, werden der gemeinsame Längenwert
für alle
Segmente SEG1 bis SEGN und ebenso die N entsprechenden Breitenwerte
selektiv und unabhängig
variiert, und die Leistung der Vorrichtung 10 wird für jede eine
solche Konfiguration der segmentierten Übertragungsleitung auf eine
Weise, die nachfolgend detaillierter beschrieben wird, bewertet.
Es sollte deutlich werden, dass die Anzahl N der Segmente nicht
variiert wird. Folglich werden im Umfang, mit dem der gemeinsame
Längenwert
für die
Segmente variiert wird, die Gesamtlänge der segmentierten Übertragungsleitung
und somit die Gesamtlänge
des Schlitzes, der dadurch dargestellt wird, variieren. Somit ist
ein Teil dessen, was optimiert wird, die Länge des Schlitzes selber.
-
Da
die gemeinsame Länge
und die betreffenden Breiten der N Segmente unabhängig variiert
werden, wird der Optimierungsprozess mit zunehmendem Wert von N
zunehmend komplexer und zeitintensiver. Im Ergebnis sind konkurrierende
Erwägungen
bei der Auswahl des Wertes für
N involviert. Insbesondere ist es einerseits erwünscht, einen vergleichsweise
großen
Wert N zu haben, so dass die Enden der Segmente eine gute Auflösung bei
der Definition der Schlitzränder
bereitstellen. Andererseits ist es wünschenswert einen vergleichsweise
kleinen Wert für
N zu haben, um die Berechnungskomplexität zu reduzieren, die bei der
Bewertung verschiedener Konfigurationen des segmentierten Übertragungsleitungsmodells
involviert sind. Für
ein Antennenelement der Art, das bei 12 in der Ausführungsform
der 1-8 offenbart ist, wurde festgestellt, dass
ein Wert für
N im Bereich von etwa 40 bis 60 einen guten Ausgleich zwischen diesen
beiden konkurrierenden Erwägungen.
-
Diverse
existierende Techniken sind bekannt, um die unabhängige Variation
einer Anzahl von Parametern einer selektiven Weise so zu bewirken,
dass eine spezifische Eigenschaft optimiert wird. Eine solche Technik
ist im Stand der Technik allgemein als die Nelder-Mead-Technik bekannt.
Es gibt kommerziell erhältliche
Software-Programme,
in die die Nelder-Mead-Technik implementiert ist; ein Beispiel hierzu
ist das Programm MATLAB®, das von The MathWorks
of Natick, Massachusetts erhältlich
ist. Programme dieser Art weisen allgemeine Nelder-Mead-Fähigkeiten
auf und können
mit Eingangsdaten für
eine spezifische Anwendung versorgt werden, was das Programm veranlasst,
die allgemeinen Prinzipien auf diese spezifische Anwendung anzuwenden.
Da die Nelder-Mead-Techniken im Stand der Technik bekannt sind,
werden sie hierin nicht im detail beschrieben. Stattdessen, um das
Verständnis
der vorliegenden Erfindung zu fördern,
wird eine Kurzübersicht
gegeben.
-
Um
genauer zu sein, ein Programm, in das die Nelder-Mead-Techniken
implementiert sind, ist in der Lage mehrere Parameter auf eine intelligente
Weise gemäß den Nelder-Mead-Prinzipien
zu variieren, während
eine Eigenschaft, die es zu optimieren gilt, bewertet wird. Allgemein
ausgedrückt,
werden Konfigurationen der Parameter, die die Tendenz haben, die
spezifizierte Eigenschaft zu verbessern, gegenüber Konfigurationen favorisiert,
die die Eigenschaft nicht verbessern und die favorisierten Konfigurationen
werden dazu verwendet, andere neue Konfigurationen vorherzusehen,
die möglicherweise
sogar eine noch stärkere
Verbesserung der spezifizierten Eigenschaft bereithalten.
-
Im
Kontext der vorliegenden Erfindung wird eine Ursprungsschlitzform
ausgewählt,
zum Beispiel wo die Ränder
des Schlitzes einer Exponentialkurve erster Ordnung folgen. Dann
wird ein segmentiertes Übertragungsleitungsmodell
der Art, die in 12 gezeigt ist, verwendet, um
diese Ursprungsschlitzform, die N Segmente verwendet, wobei N in
etwa 40 bis 60 entspricht, zu modellieren. Die betreffenden Breiten
der Segmente und auch die gemeinsame Länge der Segmente werden dann
unabhängig
unter Verwendung der Nelder-Mead-Techniken variiert, um dabei mehrere
verschiedene Konfigurationen der segmentierten Übertragungsleitung herauszubekommen,
die jeweils eine unterschiedliche Schlitzform darstellen. Für jede solche Konfiguration
wird die Leistung dieser Konfiguration bewertet.
-
In
dieser Hinsicht, um die Leistung zu bewerten, wird die Anzahl der
Segmente in dem Modell durch Interpolation verdreifacht. Beispielsweise
ist 13 eine schaubildliche Ansicht in einem vergrößerten Maßstab der
Endabschnitte der vier Übertragungsleitungssegmente,
die im oberen rechten Abschnitt der 12 dargestellt
sind. Die durchgezogenen Linien in 13 entsprechen
unmittelbar den Segmenten, die in 12 gezeigt
sind. Die durchbrochenen Linien in 13 zeigen,
wie die Gesamtanzahl der Segmente von N nach 3N verdreifacht wird.
Zum Beispiel werden zwei Punkte 261 und 262 durch
Interpolation an gleichmäßig beabstandeten
Stellen entlang einer geraden Linie festgelegt, die sich zwischen
den Punkten 263 und 264, die den entsprechenden
Ecken zweier der N Segmente, wie in 12 gezeigt
ist, entsprechen, erstreckt. Jeder der Punkte 261-264 wird
dann zu einer Ecke eines zugehörigen
neuen Segments mit einer Länge,
die einem Drittel der Länge
jedes N Segments, das in 12 gezeigt
ist, entspricht. Es sollte bemerkt werden, dass, obwohl nun 3N Segmente
zu Zwecken der Bewertung der Leistung zur Verfügung stehen, die Nelder-Mead-Techniken nicht
dazu verwendet werden, die Breiten aller 3N Segmente unabhängig zu
variieren, sondern lediglich der Breiten der N Segmente, die in 12 gezeigt
sind. Die anderen zwei Drittel der Segmente weisen Breiten auf,
die unmittelbar von den original N Breiten abhängig sind, anstatt Breiten,
die durch vollständig
unabhängige
Variation ermittelt werden.
-
Für eine gegebene
Konfiguration aus 3N Segmenten, die beispielsweise durch durchbrochene
Linien in 13 dargestellt wird, wird die
Leistung des Systems auf die folgende Weise bewertet. Jedes der
3N Segmente wird als eine separate Übertragungsleitung behandelt.
Im Folgenden wird auf 14 Bezug genommen, eine theoretische Übertragungsleitung
weist eine Länge
l auf, die der gleichförmigen
Bemaßung
jedes der 3N Segmente in einer Richtung parallel zur Mitellinie 243 (12)
des Schlitzes. Des Weiteren weist die theoretische Übertragungsleitung
in 14 eine Impedanz von ZSEG auf
und im Fall jedes der 3N Segmente, die in 13 gezeigt
sind, hängt
diese Impedanz von einem oder mehreren unterschiedlichen Faktoren
ab. Zuerst hängt
sie von der Breite des Segments in einer Richtung quer zur Mittellinie 243 ab.
Des Weiteren und mit Bezug auf die Vorrichtung 10, die
in 1 gezeigt ist, hängt sie davon ab, ob sich Material
in dem Schlitz befindet and falls ja von den Eigenschaften des Materials.
-
Zum
Beispiel weist die Ausführungsform
der 1 Abschnitte aus dielektrischen Schichten 17 und 18 auf,
die innerhalb des Schlitzes angeordnet sind, und die dielektrischen
Schichten weisen Impedanzeigenschaften auf, die mit der Frequenz
selbst bei gegebener Breite variieren. In Gegensatz dazu, falls
die Abschnitte der dielektrischen Schichten 17 und 18,
die im Schlitz angeordnet sind, entfernt werden, so dass der Schlitz mit
Luft gefüllt
wird, würde
die Impedanzeigenschaft mit der Breite aber nicht mit der Frequenz
variieren, da sich die Impedanz der Luft nicht mit der Frequenz ändert.
-
Wie
aus
14 offensichtlich ist, kann die theoretische Übertragungsleitung
als ein Zweiportelement der zuvor diskutierten Art modelliert werden
und dessen Eigenschaften können
somit durch eine [ABCD]-Matrix dargestellt werden. In dem Fall eines
der 3N rechteckigen Segmente, die in
14 gezeigt
sind, wäre
die Matrix für
ein besonderes, verlustloses, ideales Segment wie folgt definiert:
wobei
-
Bei
diesen Gleichungen sollte deutlich werden, dass der Wert der Wellenlänge nicht
nur als Funktion der Frequenz sondern auch in Abhängigkeit
der Art des Materials, das im Schlitz vorhanden ist, variieren kann. Beispielsweise
wird für
eine gegebene Frequenz die Wellenlänge einem Wert entsprechen,
falls es dielektrisches Material innerhalb des Schlitzes gibt (wie
es der Fall bei der Ausführungsform
der 1 ist), wird aber einen anderen Wert haben, falls
der Schlitz Luft statt das dielektrische Material enthält.
-
Für eine ausgewählte Matrix
wird eine zugehörige
[ABCD]-Matrix für
jedes der 3N Segmente ermittelt. Dann wird eine [ABCD]-Matrix für die gesamte
segmentierte Übertragungsleitung
wie folgt ermittelt:
-
Dann,
wobei im Folgenden auf 11 Bezug genommen wird, kann
eine [ABCD]-Matrix auf die folgende Weise für die gesamte Vorrichtung aus 1 ermittelt
werden, die durch den Index „APP" gekennzeichnet ist
und das Antennenelement 12 und die Antennenkuppelabschnitt 13 beinhaltet.
-
-
Unter
weiterem Bezug auf
11 wird erkannt werden, dass
diese [ABCD]-Matrix
für das
Antennenelement durch die folgende Standardform ausgedrückt werden
kann:
-
Diese
Matrixgleichung kann in die Form zweier matrixloser Gleichungen
wie folgt umgeschrieben werden:
VIN =
AVFS + BIFS IIN = CVFS +
DIFS wobei A, B, C und D aus
entnommen sind.
-
Im
Folgenden wird immer noch auf
11 und
insbesondere auf den Block
208 am rechten Ende davon Bezug
genommen; Es ist wohl bekannt dass sie Spannung dem Produkt aus
Strom und Impedanz entspricht. Wird dies in die zwei vorhergehenden
Gleichung für
V
IN und I
IN eingesetzt,
ergibt sich das Folgende:
VIN IFS(AZFS + B) IIN = IFS(CZFS + D)wobei A, B, C und D aus
entnommen sind.
-
Wird
nun angenommen, dass Z
SYS der Impedanz des
gesamten, in
11 gezeigten Systems entspricht,
einschließlich
sowohl der Vorrichtung
10 als auch des Blocks
208,
bei Betrachtung vom Port auf die linke Seite der
11.
Es wird erkannt werden, dass:
wobei A, B, C und U aus
entnommen sind.
-
Wie
zuvor erwähnt,
ist das Antennenelement 12 der 1 mit einem
nicht dargestellten Antennensystem beispielsweise durch ein Kabel
verbunden. Das Antennensystem führt
elektrische Signale einem Eingangsport auf der linken Seite der 11 zu
und von diesem ab. Es wird angenommen, dass ZO die
charakteristische Impedanz des nicht dargestellten Kabels und anderer
Schaltungen des Antennensystems darstellt. Es ist im stand der Technik üblich, die
Schaltung und das Kabel so auszulegen, dass die Impedanzen alle
angepasst sind, um dadurch eine Leitung mit effektiv konstanter
Impedanz ohne Reflexion bereitzustellen. In der offenbarten Ausführungsform
weist diese charakteristische Impedanz ZO einen
Wert von 50 Ohm auf.
-
Für ein System
der Art, die in
11 gezeigt ist, ist es aus dem
Stand der Technik bekannt, dass das Verhältnis der reflektierten Spannung
zur in den Port einfallenden Spannung durch die folgende Gleichung ausgedrückt werden
kann:
-
Es
ist ebenso im Stand der Technik gut bekannt, dass unter Verwendung
eines Reflexionswerts R, der aus der vorhergehenden Gleichung bestimmt
wird, die zugehörige
Rückflussdämpfung RL
aus der folgenden Gleichung ermittelt werden kann: RL
= 20 log10(|R|)
-
Der
Leistungsbewertungsvorgang, der zuvor diskutiert wurde, ist für eine besondere
Frequenz spezifisch. Für
eine gegebene Schlitzform muss die Bewertung unabhängig für jede einer
Anzahl unterschiedlicher Frequenzen, die über einem Frequenzbereich,
der von Interesse ist, verteilt sind, durchgeführt werden. Dies führt zu einer
Anzahl verschiedner Werte der Rückflussdämpfung RL,
die für
diese besondere Schlitzform bei jeweils verschiedenen Frequenzen
berechnet wurde, und diese Werte der Rückflussdämpfung RL können in der Form eines Graphen
dargestellt werden, der ähnlich
denen aus den 9 und 10 ist.
-
Des
Weiteren wurde bei der vorhergehenden Diskussion das Augenmerk darauf
gerichtet, wie eine vorgeschlagene Schlitzform bewertet wird. Um
eine optimale Form zu erhalten, ist eine Anzahl unterschiedlicher
Schlitzformen 30 auf ähnliche
Weise zu bewerten, und die Ergebnisse dieser Bewertungen werden
dann verglichen, um zu ermitteln, welche Schlitzform die optimale
Leistung bereitstellt. Diverse verschiedene Kriterien können verwendet
werden, um diese Bewertung vorzunehmen, und diese Kriterien können entweder
separat oder in Kombination verwendet werden. Einige Beispiele solcher
Kriterien werden nun erörtert,
aber es sollte erkannt werden, dass die vorliegende Erfindung nicht
auf diese besonderen Kriterien beschränkt ist.
-
Ein
erstes Kriterium beinhaltet die Ermittlung des Maximalwertes der
Rückflussdämpfung RL,
die für eine
gegebene Schlitzform berechnet wird. Die Schlitzform mit dem geringsten
Maximalwert für
RL könnte
als der optimale Entwurf ausgewählt
werden. Alternativ könnten
alle bewerteten Schlitzformen mit einem Maximalwert der Rückflussdämpfung RL
unter einem spezifizierten Wert (wie etwa 10 dB) identifiziert werden,
und die Formen in dieser Gruppe könnten dann vergleichend unter
Verwendung anderer Kriterien bewertet werden.
-
Ein
zweites Kriterium wäre,
den Maximalwert für
jede Schlitzform des absoluten Werts der berechneten Reflexion R
zu ermitteln. Der Schlitzentwurf mit solch einem geringsten Maximalwert
könnte
als optimaler Entwurf ausgewählt
werden. Alternativ könnten
alle bewerteten Schlitzformen, für
die der berechnete Maximalwert kleiner als ein spezifizierter Wert
ist, ausgewählt
werden, und die Schlitzformen in dieser Gruppe könnten dann unter Verwendung
anderer Kriterien vergleichend bewertet werden.
-
Die
zwei, zuvor diskutierten Kriterien richten ihr Augenmerk auf das
Maximum eines beliebigen einzelnen Punktes für die Reflexion R oder die
Rückflussdämpfung RL.
Andere Kriterien könnten
eine Mittelwert-bildende Herangehensweise an die Leistung über den
Frequenzbereich, der von Interesse ist, an den Tag legen. Beispielsweise
wäre ein
drittes Kriterium, die Absolutwerte der Reflexion R, die bei diversen
Frequenzen für einen
gegebenen Schlitzentwurf berechnet wurden, wie folgt aufzusummieren:
-
Ein
viertes Kriterium, welches eine Abwandlung des dritten Kriteriums
darstellt, wäre
die Aufsummierung der Quadrate der Absolutwerte der Reflexion R,
die bei diversen Frequenzen für
eine gegebene Schlitzform berechnet wurden, wie folgt:
-
15 ist
ein Flussdiagramm, welches die Optimierungstechnik, die zuvor diskutiert
wurde, zusammenfasst. Um genauer zu sein, im Block 301 werden
die Entwürfe
des Baluns und des Endstücks
jeweils optimiert und abgeschlossen. Dann werden die Transferfunktionen
jeweils für
den Balun und das Endstück
bei jeder der vorgegebenen Frequenzen, die über einem Frequenzbereich,
der von Interesse ist, verteilt sind, ermittelt. Wie zuvor erörtert wurde,
kann jede dieser Transferfunktionen in der Form einer [ABCD]-Matrix
dargestellt werden.
-
Als
nächstes
wird bei Block 302 eine Ursprungsschlitzform ausgewählt, um
die Optimierungsroutine "anzukeimen". In der offenbarten
Ausführungsform
wird die Ursprungsschlitzform so gewählt, dass es sich um eine reine
Exponentialkurve erster Ordnung handelt, aber es wäre alternativ
möglich,
eine irgendwie andere Ursprungsschlitzform zu verwenden. Als nächstes bei
Block 303 wird die gewählte
Schlitzform als eine segmentierte Übertragungsleitung auf die
Weise modelliert, die in Verbindung mit den 12 und 13 zuvor diskutiert
wurde. Dann wird bei Block 306 die niedrigste der vorgegebenen
Frequenzen in dem Bereich ausgewählt.
-
Als
nächstes
bei Block 307 wird eine zugehörige Transferfunktion bei der
gewählten
Frequenz für
jedes der Segmente der segmentierten Übertragungsleitung ermittelt.
In der offenbarten Ausführungsform
kann jede Transferfunktion in der Form einer [ABCD]-Matrix, wie
zuvor erörtert
wurde, vorliegen. Diese diversen Transferfunktionen für die verschiedenen
Segmente werden dann kombiniert, um eine einzige Transferfunktion für die gesamte
segmentierte Übertragungsleitung
zu erhalten. In der offenbarten Ausführungsform ist dies auch eine
[ABCD]-Matrix, wie zuvor erörtert
wurde.
-
Die
Steuerung fährt
dann von Block 307 zu Block 308 fort. Für die augenblickliche
Schlitzform und die gewählte
Frequenz werden die Transferfunktionen für die Balunsektion, Schlitzsektion
und die Endstücksektion
verwendet, um einen Reflexionswert und einen Rückflussdämpfungswert auf die zuvor diskutierte
Weise zu berechnen und zu speichern. Dann bei Block 311 wird
eine Entscheidung getroffen, ob die augenblicklich gewählte Frequenz
die höchste
Frequenz in dem Bereich ist. Falls nicht, wird die nächst höchste Frequenz
der vorgegebenen Frequenzen bei Block 312 ausgewählt und
die Steuerung kehrt zu Block 307 zurück, um die Leistung des augenblicklichen
Schlitzentwurfs bei dieser neu gewählten Frequenz zu analysieren.
-
Im
Gegensatz dazu, falls bei Block 311 festgestellt wird,
dass die augenblickliche Schlitzform für sämtliche vorgegebene Frequenzen
in dem Bereich bewertet worden ist, fährt die Steuerung mit Block 313 fort,
wo alle Reflexionswerte und Rückflussdämpfungswerte
für die
augenblickliche Schlitzform verwendet werden, um die Leistung des
Systems für
jene Schlitzform zu beurteilen. Diese Beurteilungen werden dann
gespeichert.
-
Als
nächstes
bei Block 316 wird eine Bewertung vorgenommen, ob die optimale
Form gefunden worden ist. Diese Bestimmung beinhaltet die Verwendung
von Leistungskriterien der Art, die zuvor erörtert wurden. Des weiteren
hängt dies
vom Umfang ab, mit dem die Nelder-Mead-Techniken, die zuvor diskutiert
wurden, einen Punkt erreicht haben, wo eine Vielfalt verschiedener
Schlitzformen bewertet worden sind, und es erscheint, dass die optimale
Form wahrscheinlich eine Form ist, die bereits bewertet worden ist,
anstatt eine Form, die noch nicht bewertet wurde. Im Allgemeinen
wird eine Anzahl von Schlitzformen bewertet, bevor eine Entscheidung
bei Block 316 getroffen wird, dass die optimale Schlitzform
identifiziert wurde.
-
Wenn
eine Entscheidung in Block 316 getroffen wird, dass eine
optimale Schlitzform noch nicht lokalisiert wurde, wird die Steuerung
mit Block 317 fortgesetzt, wo eine neue und unterschiedliche
Schlitzform für die
Bewertung durch Variation der Breiten der N Segmente und/oder der
gemeinsamen Länge
der N Segmente ausgewählt
wird. Die Blöcke 316 und 317 stellen
im Grunde eine besondere Anwendung für die Nelder-Mead-Techniken
dar, die zuvor diskutiert wurden. Im Gegensatz dazu, falls an gewissem
Punkt bei Block 316 festgestellt wird, dass eine optimale
Schlitzform ermittelt worden ist, wird das Bewertungsverfahren abgeschlossen
und endet bei Block 318.
-
16 ist
eine schaubildliche Vorderansicht eines Antennenelements 412,
welches eine alternative Ausführungsform
des Antennenelements 12 aus 1 darstellt.
Das Antennenelement 412 der 16 würde normaler
Weise mit einer Antennenkuppel der Art verwendet werden, die bei 13 in 1 gezeigt
ist, aber die Antennenkuppel wurde in 16 weggelassen.
Das Antennenelement 412 der 16 ist
im Wesentlichen identisch mit dem Antennenelement 12 aus 1 ausgenommen
der Unterschiede, die nachfolgend erörtert werden.
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Um
genauer zu sein, die zwei dielektrischen Schichten und der Klebefilm
des Antennenelements 412 erstrecken sich jeweils nach außen jenseits
der Enden der drei Grundflächen,
eine der dielektrischen Schichten ist bei 417 sichtbar,
und eine der Grundflächen
ist bei 426 sichtbar. Die oberen und unteren Seitenränder des
Antennenelements 412 weisen jeweils eine Abscheidung auf,
die vom linken Ende des Antennenelements zu den rechten Enden der
Grundflächen
erstreckt. Diese Randabscheidung erstreckt sich nicht entlang des Rest
des Weges zum rechten Ende des Antennenelements 412.
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Die
dielektrischen Schichten weisen jeweils eine keilförmige Öffnung darin
auf, eine davon ist bei 457 sichtbar. Es wird deutlich
werden, dass das linke Ende der keilförmigen Öffnung rechtsseitig von den
rechten Enden der Grundflächen,
einschließlich
der Grundfläche 426,
angeordnet ist. Um es anders auszudrücken, die keilförmigen Öffnungen
in den dielektrischen Schichten sind nicht innerhalb des Schlitzleiters
angeordnet, der durch die Schlitze in den Grundflächen vorgegeben
wird. Folglich weisen die Ränder
der Schlitzabschnitte in dem Antennenelement 412 keine
Unstetigkeitsstelle auf, die mit der vergleichbar ist, die bei 42 in 1 gezeigt ist,
da die Unstetigkeitsstelle 42 auf der Tatsache beruht,
dass die keilförmige Öffnung 57 in 1 innerhalb des
Schlitzleiters angeordnet ist.
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Obwohl
es in 16 nicht leicht zu erkennen
ist, folgen die Ränder
des Schlitzabschnitts der Grundflächen nicht einer Exponentialkurve
erster Ordnung, sondern weisen Wirkungen höherer Ordnung auf, die ihnen
eine irgendwie wellige Form auf eine Weise verleihen, die ähnlich der
ist, die zuvor im Zusammenhang mit der Ausführungsform der 1 beschrieben
wurde. Der Vorgang, der verwendet wurde, die Form der Schlitzränder für die Ausführungsform
der 16 zu ermitteln, ist ähnlich dem Vorgang, der zuvor
hinsichtlich der Ausführungsform
der 1 beschrieben wurde und wird daher hierin nicht
wieder im Detail beschrieben. Des Weiteren ist die Arbeitsweise
der Vorrichtung der 16 ähnlich der Arbeitsweise der
Ausführungsform
der 1, und wird daher nicht im Detail hier wieder
erklärt.
-
17 ist
eine schaubildliche und perspektivische Ansicht eines Antennenelements 512,
welches eine weitere alternative Ausführungsform des Antennenelements 12 aus 1 ist.
Das Antennenelement 512 beinhaltet einen Körper 514,
der aus einer einzelnen Metallplatte hergestellt ist. Eine Ausnehmung
ist durch die Metallplatte vorgesehen und beinhaltet einen Balunabschnitt 536 in
der Form eines recheckigen Loches und einen länglichen Schlitzabschnitt 537,
der an seinem schmalen Ende mit dem Balunabschnitt 536 in
Verbindung steht. In Allgemeinen weisen der Balunabschnitt 536 und
der Schlitzabschnit 537 Größen und Formen auf, die mit
denen vergleichbar sind, die zuvor im Zusammenhang mit der Ausführungsform
der 1 diskutiert wurden. In dieser Hinsicht folgen
die Ränder
des Schlitzabschnitts 537 nicht bloß einer Exponentialkurve erster
Ordnung, sondern beinhalten stattdessen Wirkungen höherer Ordnung,
die den Rändern
eine irgendwie wellige Form verleihen. Die Form der Ränder wird
durch einen Vorgang ermittelt, der ähnlich dem ist, der im Zusammenhang
mit der Ausführungsform
der 1 beschrieben wurde, und dieser Vorgang wird hier
im Detail nicht wieder beschrieben.
-
Ein
signifikanter Unterschied ist der, dass der Schlitzabschnitt 537 Luft
statt ein dielektrisches Material enthält. Die Auswirkungen dessen,
dass Luft in dem Schlitzabschnitt anstatt eines dielektrischen Materials
vorhanden ist, wurden bereits im Detail zuvor diskutiert. Das Antennenelement 512 beinhaltet
einen Koaxialstreifenleiter 561, der eine elektrisch leitende
Außenhülle aufweist,
die fest an der Vorderseite der Platte 514 durch einen
leitenden Epoxyklebstoff einer bekannten Art befestigt ist.
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18 ist
eine schaubildliche Schnittansicht des Koaxialstreifenleiters 561 entlang
der Schnittlinie 18-18 in 17. Wie
in 18 gezeigt ist, beinhaltet der Koaxialstreifenleiter 561 zwei
aneinander grenzende, dielektrische Schichten 563 und 564 mit
einem zwischen ihnen angeordneten leitenden Streifenleiter 567.
Entlang des meisten Teils seiner Länge weist der Streifenleiter 567 ein
Breite auf, die im Wesentlichen geringer als die Breite der dielektrischen
Schichten 563 und 564 ausfällt, so dass die dielektrischen
Schichten 563 und 564 als eine Schicht aus Isoliermaterial
dienen, sie sich koaxial um den Streifenleiter 567 erstreckt.
-
Eine
Hülle 569 aus
einem elektrisch leitenden Material erstreckt sich komplett um die
dielektrischen Schichten 563 und 564. Wie zuvor
erwähnt,
ist die Umhüllung 569 physikalisch
und elektrisch mit der Metallplatte 514 in 17 durch
einen leitenden Epoxyklebstoff einer bekannten Art verbunden, der
nicht separat in den Figuren gezeigt ist.
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19 ist
eine schaubildliche, fragmentarische Schnittansicht von oben des
Koaxialstreifenleiters 561, entlang einer Ebene, die durch
die Oberfläche
des Streifenleiters 567 definiert ist, und zeigt einen
Endabschnitt des Koaxialstreifenleiters 561, der im Bereich
des schmalen Endes des Schlitzabschnitts 537 (17)
angeordnet ist. Im Folgenden wird auf die 17 und 19 Bezug
genommen, die leitende Hülle 569 weist
einen ringförmigen
Spalt 572 auf, der sich vollständig um den Koaxialstreifenleiter 561 erstreckt.
Der Spalt 572 ist mit dem Schlitzabschnitt 537 gefluchtet,
und gestattet dem Strom innerhalb des Streifenleiters 567 elektromagnetisch
Felder zu erzeugen, die sich von der Hülle 569 entfernen
und in den Schlitzabschnitt 537 erstrecken.
-
Ungefähr den halben
Weg über
den Spalt 572 beginnt der Streifenleiter 567 mit
der allmählichen
Breitenexpansion, die als ein Übergang
zu einem nahezu recheckigen Endabschnitt 573 dient, drei
Seiten davon stehen in elektrischem Eingriff mit der Hülle 569.
Ein Durchkontakt bei 574 erstreckt sich durch den leitenden Streifenleiter
zwischen gegenüberliegenden
Seiten der Hülle 569 und
ist elektrisch mit dem Endabschnitt 573 des Streifenleiters 567 verbunden.
Somit wird das als Wirkung das Ende des Streifenleiter 567 direkt
mit der Grundfläche,
die durch die Metallplatte 514 vorgegeben ist, kurzgeschlossen
(17), um so einen elektrischen Abschluss des Streifenleiters 567 zu
bewirken.
-
Eine
Technik zur Herstellung des Koaxialstreifenleiters 561 ist
wie folgt. Das dielektrische Material 564 wird hergestellt,
und dann wird eine Schicht aus Metall darauf oben auf abgeschieden.
Die Metallschicht wird dann auf bekannte Weise photolithographisch
geätzt,
um ausgewählte
Abschnitte davon zu entfernen, so dass die verbleibenden Abschnitte
den Streifenleiter 567 mit seinem Endabschnitt 573 bilden.
Dann wird die dielektrische Schicht 563 über der
dielektrischen Schicht 564 und dem Streifenleiter 567 ausgebildet.
Als nächstes wird
ein zylindrisches Loch durch die dielektrischen Schichten und die
Metallschicht an einer Stelle geschaffen, wo der Durchkontakt 574 auszubilden
ist. Dann wird die Anordnung in einen stromlosen Abscheidungstank
getaucht, um die Hülle 569 über dem
gesamten Äußeren davon
auszubilden und um den Durchkontakt 574 innerhalb des zylindrischen
Loches zu bilden. Die ringförmige
Maskierung verhindert, dass leitendes Material im Bereich des Spalts 572 abgeschieden
wird. Nach Abschluss der Abscheidung wird die Maskierung entfernt, um
den Spalt 572 freizulegen. Die erhaltene Anordnung wird
dann unter Verwendung eines leitenden Epoxyklebstoffs an der Metallplatte 514 befestigt,
wie zuvor erörtert
wurde.
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Die
Arbeitsweise des Antennenelements 512 der 17-19 ist
allgemein ähnlich
der des Antennenelements 12 aus 1. Folglich
wird angenommen, dass eine separate detaillierte Diskussion der
Arbeitsweise des Antennenelements 512 unnötig ist
und wird hier weggelassen.
-
Die
vorliegende Erfindung schafft eine Anzahl technischer Vorteil. Ein
solcher technischer Vorteil resultiert aus dem Fehlen von dielektrischem
Material in dem Balunloch, so dass das Loch Luft enthält. Da Luft eine
niedrigere Dielektrizitätskonstante
als das dielektrische Material hat, weist die Luft eine höhere Impedanz als
ein dielektrisches Material auf, und die Wellenlänge bei einer gegebenen Frequenz
ist länger
in Luft als in einem dielektrischen Material. Folglich ist für eine gegebene
physikalische Breite des Balunlochs die effektive elektrische Breite
für Luft
kleiner als für
ein dielektrisches Material. Dies bedeutet im Gegenzug, dass die
effektive elektrische Breite viel weiter unter 8/2 für Luft als
für ein
dielektrisches Material ist, was unerwünschte Effekte reduziert.
-
Ein
weiterer Vorteil resultiert daraus, dass der innere Rand des Balunloches
leitend ist, beispielsweise durch Vorsehen einer Beschichtung, da
dies hilft, die Bandbreite des Balunlochs durch Aufnahme der elektrischen
Felder in dem Loch zu vergrößern. In
dem Fall eines Antennenelements mit Schichten aus einem dielektrischen
Material verhindert der leitende Rand des Lochs das Erstrecken der
elektrischen Felder in das dielektrische Material um das Loch.
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Noch
ein weiterer Vorteil wird da realisiert, wo das Balunloch eine allgemein
rechteckige Form aufweist, das dies hilft, eine abrupte Impedanzunstetigkeit
zwischen dem Balunloch und dem zugehörigen Ende des Schlitzleiters
zu schaffen.
-
Mit
einer abrupten Unstetigkeit in der Impedanz erscheint den elektrischen
Feldern im Bereich des schmalen Endes des Schlitzes das Balunloch
nahezu ein offener Stromkreis über
einem Frequenzbereich, der von Interesse ist, zu sein, was dem Balunloch
eine vergleichsweise breite Bandbreite verleiht. Ein verwandter Vorteil
wird da realisiert, wo das dielektrische Material innerhalb des
rechteckigen Balunloches entfällt
und der Rand des Balunloches leitend ist, da dadurch die Bandbreite
des Balunloches weiter gesteigert wird. Das erhaltene Balunloch
ist im Effekt ein abgestimmtes, leitendes Loch.
-
Noch
ein anderer Vorteil resultiert daraus, dass mehr als zwei Grundflächen vorgesehen
sind und der Streifenleiter unmittelbar in einer dieser Grundflächen endet,
da dies eine vergleichsweise breite Bandbreite für das Balunloch fördert. Dort
wo das Balunloch etwa rechteckig ist, kein dielektrisches Material
enthält,
leitende Ränder
hat, in Zusammenhang mit zwei oder mehr Grundflächen steht und in Zusammenhang
mit einer Terminierung des Streifenleiter in einer Grundfläche steht
kann die alleinige Bandbreite des Balunloches sich etwa an 8:1 annähern.
-
Noch
ein weiterer Vorteil, der eine gesteigerte Bandbeite beinhaltet,
resultiert da, wo solch ein Balunloch mit einem Schlitz verwendet
wird, der eine Form aufweist, die unter Verwendung von erfindungsgemäßen Techniken
optimiert wurde. Bei niedrigen Frequenzen ist das Balunloch induktiv
und der Schlitz kapazitiv. Aber wo die Optimierungstechnik verwendet
wird, um eine konjugierte Anpassung des Balunloches und des Schlitzes
zu erreichen, arbeiten sie zusammen, um eine gute Leistung selbst
bei niedrigen Frequenzen auf eine Weise zu erreichen, die irgendwie
analog der Resonanz in einer abgestimmten RLC-Schaltung ist. Insbesondere können sie
eine Dekaden-(10:1)-Bandbreite bereitstellen, was ein +60° E-Ebenen
und +50° H-Ebenen-Abtastvolumen
gestattet.
-
Durch
Vorsehen von drei oder mehr Grundflächen kann auch ein weiterer
Vorteil geschaffen werden, indem dies hilft die Reaktanzen am Übergang
vom Streifenleiter zum Schlitzleiter zu reduzieren. Des Weiteren wird
durch Bereitstellen von drei oder mehr Grundflächen die Menge des leitenden
Materials, das entlang der Ränder
des Schlitzes vorhanden ist, vergrößert, wodurch die Kapazität vergrößert, was
im Gegenzug die Verbreiterung des schmalen Endes des Schlitzes gestattet.
Ist das schmale Ende des Schlitzes breiter, fällt die Herstellung des Schlitzes
leichter, während
eine niedrige Impedanz von etwa 50 Ohm für das schmale Ende des Schlitzes
erreicht wird. Dies beruht darauf, dass die Toleranzen beim Ätzen im Grunde
fest liegen und das Ätzen
des schmalen Endes schrittweise mit schrittweiser Zunahme der Breite
des Schlitzes leichter fällt.
-
Noch
ein anderer Vorteil ergibt sich da, wo der Streifenleiter unmittelbar
in einer der Grundflächen
endet, da dies auf effektive Weise einen tatsächlichen physikalischen Kurzschluss
mit der Grundfläche
bildet, verglichen mit vorexistierenden Techniken, die im Wesentlichen
versuchen, einen physikalischen Kurzschluss zu emulieren oder anzunähern, indem
eine Resonanz einer stehenden Welle geschaffen wird. Die offenbarten Antennenelemente
stellen einen Übergang
vom Streifenleiter zum Schlitzleiter mit einem Übersetzungsverhältnis von
nahezu eins und mit minimalen Streureaktanzen bereit.
entnommen sind.
