TECHNISCHES GEBIET
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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Wellenleiterantenne
mit einer Vielzahl von Antennenelementen, die mit einem
räumlichen Filter für den Zweck einer Unterdrückung der
sogenannten Gitterkeulen, die als Folge der Positionierung
der Schlitze auftreten, versehen sind.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Eine Wellenleiterantenne mit Antennenelementen in der Form
von Breitseitenschlitzen und Gruppenantennen, die eine
Vielzahl von derartigen Wellenleiterantennen umfassen, sind
im Stand der Technik bekannt und beispielsweise in der
SE-B-442 074 beschrieben. Die Wellenleiterantenne besteht aus
einem Wellenleiterelement und einer Vielzahl von
transversalen Schlitzen, die entlang einer Breitseite
angeordnet sind. Ein Speisewellenleiter an die
Wellenleiterantenne ist über eine Öffnung, die sich
normalerweise in der Mitte des Antennenwellenleiters
befindet, mit der anderen Breitseite verbunden. Der
Speisewellenleiter führt ein Feld mit einer bestimmten freien
Wellenlänge λ&sub0; zu und der mit Schlitzen versehene
Antennenwellenleiter strahlt durch die Schlitze ein Feld mit
einer gegebenen Verteilung ab. Alle Schlitze erzeugen ein
gemeinsames Feldbild, welches das Antennendiagramm der
betreffenden Antenne bildet.
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Räumliche Filter für Gruppenantennen, die eine Vielzahl von
Antennenelementen umfassen, sind im Stand der Technik
bekannt, beispielsweise in der Zeitschrift "IEEE Trans. on
Antennas & Propagation", März 1976, Seiten 174-187. Die
Filter von diesen bekannten Anordnungen sind frei von der
Antenne selbst plaziert.
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Eine Wellenleiterantenne von der Art, die in der Einleitung
erwähnt und mit einem Wellenleiterfilter versehen ist, ist
bereits beispielsweise aus der FR-A-2 309 027 bekannt.
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Diese bekannte Wellenleiterantenne weist eine Anzahl von
Antennenelementen in der Form von longitudinalen länglichen
Schlitzen auf, die in alternierender Weise auf beiden Seiten
einer Symmetrieachse entlang der Breitseite des Wellenleiters
angeordnet sind. Diese Konfiguration der Schlitze bewirkt ein
elektromagnetisches Feld mit einer Hauptkeule und einer
Anzahl von parasitären Keulen, die auf Diagonalen um die
Hauptkeule des Antennenfeldmusters herum angeordnet sind. Die
parasitären Keulen sind in Bezug zu der Hauptkeule klein.
Mittels des Wellenleiterfilters können die parasitären Keulen
gedämpft werden.
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Die vorliegende Wellenleiterantenne besitzt eine Anzahl von
Schlitzen, die in einer transversalen Weise Seite an Seite
auf der Breitseite des Antennenwellenleiters und mit einem
gegenseitigen Abstand in der gleichen Größenordnung wie die
Leiterwellenlänge angeordnet sind. Diese Anordnung der
Schlitze bewirkt ein ganz anderes elektromagnetisches
Feldmuster, als das der bekannten Wellenleiterantenne und die
Gitterkeulen in dem vorliegenden Wellenleiter sind in Bezug
zu der Hauptkeule viel höher als die parasitären Keulen in
bezug auf die Hauptkeule in dem bekannten Wellenleiter.
Deshalb weist das Wellenleiterfilter der vorliegenden
Erfindung eine ganz andere Funktion als das entsprechende
Wellenleiterfilter des bekannten Antennenwellenleiters auf,
um die Gitterkeulen zu unterdrücken.
OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
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Im Fall der in der Einleitung beschriebenen Art von
Wellenlängenantennen sind die Schlitze an relativ weit
voneinander entfernten Abständen angeordnet, beispielsweise
in einem Abstand von ≥λ&sub0;, wobei λ&sub0; die freie Wellenlänge des
Felds ist. Es ist nämlich erforderlich, einen Schlitzabstand
zu wählen, der ausreichend groß ist, um der Wellenlänge des
Antennenwellenleiters zu entsprechen (Abstand λg), damit die
Felder von den Schlitzen zueinander in Phase sind. Schlitze,
die mit dem voranstehend erwähnten Abstand positioniert sind,
bewirken allerdings sogenannte Gitterkeulen, die unerwünscht
sind.
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Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht darin, das
Vorhandensein von Gitterkeulen in dem von einer mit Schlitzen
versehenen Wellenlängenantenne abgestrahlten Feld unter
Verwendung von räumlichen Filtern zu reduzieren oder zu
beseitigen.
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Eine Ausführungsform der erfindungsgemäßen
Wellenleiterantenne ist durch die in dem Kennzeichnungsteil
des Anspruchs 1 aufgeführten Merkmale und einer andere
Ausführungsform durch den Kennzeichnungsteil von Anspruch 2
charakterisiert.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Die Erfindung wird nachstehend eingehender unter Bezugnahme
auf die beiliegenden Zeichnungen beschrieben. In den
Zeichnungen zeigen:
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Figur 1 schematisch ein Feldbild, welches mit einer mit
Schlitzen versehenen Wellenleiterantenne der bekannten Art
erzielt wird;
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Figuren 2a-2c verschiedene Aus führungs formen einer
erfindungsgemäßen Wellenleiterantenne; und
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Figur 3 noch eine andere Ausführungsform einer
erfindungsgemäßen Wellenleiterantenne.
BEVORZUGTE VORGEHENSWEISE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
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Figur 2 zeigt schematisch eine Wellenleiterantenne, bei
welcher der Antennenwellenleiter mit 1 und ein
Speisewellenleiter mit 2 bezeichnet ist. Der
Antennenwellenleiter 1 ist mit Schlitzen versehen, die in
einem Abstand d zueinander angeordnet sind. Ein Feld mit
einer gegebenen freien Wellenlänge = λ&sub0; wird durch den
Speisewellenleiter 2 geführt, wobei die Wellenlänge dieses
Felds in dem Antennenwellenleiter im folgenden mit λg
bezeichnet wird. Wie in Figur 1 dargestellt, ergeben alle
Schlitze ein gemeinsames Feldbild. Man erhält eine Hauptkeule
HL, die sich senkrecht zu der Längsachse des
Antennenwellenleiters erstreckt und zwei dominierende
Gitterkeulen GL1, GL2, die jeweils einen gegebenen Winkel eg
auf einer jeweiligen Seite der Hauptkeulenverlängerung (0º)
bilden. Die Gitterkeulen können fast so stark wie die
Hauptkeule sein. Infolge dessen ist es wünschenswert, diese
Keulen zu unterdrücken, außer wenn sie für andere Zwecke
wünschenswert sind.
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Die Schlitze in dem Antennenwellenleiter 1 bilden ein Gitter
oder Raster. Wie voranstehend erwähnt muß d größer als λ&sub0;
sein, um eine Phasenähnlichkeit des von den einzelnen
Schlitzen erhaltenen Felds zu erreichen. Dies bedeutet, daß
d λg ist. Da λg > λ&sub0; ist, bedeutet dies, daß d größer als λ&sub0;
sein wird. Allerdings hat ein Antennengitter, bei dem d
größer als λ&sub0; ist, eine Hauptkeule HL und Gitterkeulen GL1,
GL2 zur Folge, und zwar sowohl beim Zuführen von dem
Antennentor als auch beim Zuführen an das Antennentor
(äußeres Feld zu der Antenne). Die Richtungswirkung der
Gitterkeulen hängt von dem Ausmaß ab, um das d von λ&sub0; gemäß
der folgenden Beziehung abweicht:
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sinθg = λ&sub0;/d
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Gemäß der Erfindung werden bekannte räumliche Filter,
beispielsweise räumliche Filter, die in der voranstehend
erwähnten Referenz beschrieben sind, zum Zweck einer
Unterdrückung der Gitterkeulen und ferner auch für eine
Verwendung von reflektierten Gitterkeulen, um zu einem
gewissen Ausmaß eine abgehende (Weiterleitung von dem
Antennentor) oder eine eintreffende Hauptkeule (Zuführung von
einem ankommenden Feld) zu verstärken. Im Gegensatz zur
bekannten Verwendung des räumlichen Filters ist dieses Filter
direkt in die Antennenstruktur integriert, beispielsweise
indem es mit einem mit Schlitzen versehenen Wellenleiter
(Figur 1) zusammengebaut wird. Eine große Antenne kann dann
mit einer Vielzahl von derartigen integrierten Teilstrukturen
aufgebaut werden.
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Figur 2a zeigt eine Ausführungsform einer erfindungsgemäßen
Wellenleiterantenne, und zwar im Querschnitt durch die
Antennenstruktur. Der Speisewellenleiter und der
Antennenwellenleiter sind wie in dem voranstehenden Fall mit
1 bzw. 2 bezeichnet. Ein erster Abschnitt I des räumlichen
Filters umfaßt einen kastenartigen Teil mit einer
Höhenausdehnung a&sub1;, die viel größer oder gleich wie die
Höhenausdehnung a des Antennenwellenleiters 1 sein kann. Der
letztere Fall (a&sub1; = a) ermöglicht, daß mehrere
Antennenwellenleiter mit zugehörigen Raumfiltern zur Bildung
einer großen Antenneneinheit kombiniert werden. Der Abschnitt
I kann irgendeine gewünschte Tiefe oder Breite b aufweisen
und die Tiefe des Abschnitts wird hinsichtlich des für die
Antennenstruktur als ganzes benötigten Platzes gewählt. In
der dargestellten Ausführungsform geht der Abschnitt I
stufenweise in einen zweiten Abschnitt II über, der zwei sich
in die Richtung der Antennenachse A erstreckende parallele
Wände umfaßt. Der Abschnitt II bildet eine Öffnung für den
Abschnitt I. Die Höhe des Abschnitts II, d.h. der Abstand
zwischen den Wänden beträgt a&sub2;. Alle Wände der beiden
Abschnitte I und II sind aus einem metallischen Material
hergestellt und der Innenraum der Abschnitte kann mit Luft
oder mit einem geeigneten dielektrischen Medium gefüllt
werden.
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Figur 2b zeigt die gleiche Antennenstruktur, wie die in Figur
2a gezeigte, ünd zwar von der Außenseite und in Richtung auf
die Antennenöffnung hin. Figur 2b zeigt die Positionen der
Schlitze S1, S2 und S3 in dem Antennenwellenleiter 1. Die
Schlitze S1, S3, S3 bilden die Antennenöffnung.
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Das Feld, welches im Abschnitt I bei der Speisung der
Antennenöffnung S1-S3 auftritt, besitzt eine Polarisation,
die zu den beiden Seitenwänden des Abschnitts I parallel ist.
In diesem Abschnitt wird folgende Wellenlänge erzielt:
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Der zweite Abschnitt II ist zum Unterdrücken der Gitterkeulen
des von der Öffnung S1-S3 abgestrahlten Felds vorgesehen. Die
folgende Beziehung trifft für die Wellenleiterwellenlänge im
Abschnitt II zu:
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Wenn a&sub2; < a&sub1; ist, wie in der Figur 2a, 2b dargestellt, dann
ist λg2 > λg1 Somit bildet der Abschnitt II hinsichtlich
einer Abstrahlung ein "dünneres" Medium als der Abschnitt I
(beispielsweise vergleichbar mit dem Übergang Wasser-Luft)
Gitterkeulen, die auf die Grenzschicht G vom Abschnitt I zum
Abschnitt II schräg einfallen, werden total reflektiert, wenn
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sinθg ≥ λg1/λg2.
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Der Winkel eg wird durch den Schlitzabstand d und die
Wellenleiterwellenlänge λg1 gemäß der Beziehung
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sinθg = λg1/d.
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bestimmt. Somit gilt die folgende Bedingung zur Unterdrückung
von Gitterkeulen mit einer gegebenen Richtung θg:
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λg1/λg2≤λg1/d oder
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λg2> d
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Bei einer Anwendung ist der Antennenwellenleiter mit
transversalen Schlitzen in Resonanz (an seinen Endflächen
kurzgeschlossen), wie in Figur 2b gezeigt, wobei der
Schlitzabstand d = λg (= Wellenleiterwellenlänge) ist und
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g2≥λg ist, was bedeutet, daß a2< a ist.
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Dem Abstand a&sub1; mangelt es in dieser Verbindung an Bedeutung
und er kann gemäß anderen Aspekten gewählt werden.
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Figur 2c zeigt eine weitere Ausführungsform der
Wellenleiterantenne gemäß der Erfindung, und zwar in einem
Querschnitt durch die Antennenstruktur. Wie die
Ausführungsform gemäß Figur 2a ist der Antennenwellenleiter
mit 1 und der Speisewellenleiter mit 2 bezeichnet. Die
Ausführungsform gemäß Figur 2c unterscheidet sich von der
Ausführungsform gemäß Figur 2a nur dadurch, daß der erste
Abschnitt weggenommen wurde, d.h. b=0 und somit ist a&sub1;=a&sub2;, so
wie wenn nur ein Abschnitt, der dem Abschnitt II in Figur 2a
entspricht, in Richtung auf den freien Raum hin geschaffen
wurde. In Figur 2c ist die Wellenlänge des
elektromagnetischen Felds innerhalb des Abschnitts I mit λg1
bezeichnet und die Wellenlänge im freien Raum außerhalb des
Abschnitts ist λg2=λ&sub0;, so daß λg&sub1; > λ&sub0; erfüllt ist.
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Die Grenzschicht von Interesse ist hier mit G2 bezeichnet und
befindet sich zwischen dem Innenraum von Abschnitt I und dem
Wellenleiter 1.
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Figur 3 zeigt eine andere Ausführungsform der
erfindungsgemäßen Antennenstruktur. Hier ist auf dem
Antennenwellenleiter 1 mit den Schlitzen S1-S3 ein räumliches
Filter mit lediglich einem geschlossenen Abschnitt I
vorgesehen, der einen Raum mit einer gegebenen Höhe a&sub3; vor
der Antennenöffnung bildet.
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Ahnlich wie die in den Figuren 2a, 2b dargestellte
Ausführungsform trägt das Feld von jedem Schlitz zu einem
Gesamtfeld von der Antenne bei, und zwar mit einer
Hauptkeule, die senkrecht zu der Antennenöffnung ist.
Zusätzlich werden in einem Winkel θg von der Normalen
Gitterkeulen erhalten. Der obere Teil des Abschnitts I umfaßt
eine Wand 3, die beispielsweise ausschließlich aus
dielektrischem Metall oder sowohl aus dielektrischem als auch
leitendem Material hergestellt ist. Die Wand 3 sollte gute
Abstrahlungsübertragungseigenschaften in der Richtung der
Hauptkeule (θg=O) und fortschreitend schlechtere
Übertragungseigenschaften für ansteigende Werte von θg
aufweisen. Die Wand 3 sollte für Gitterkeulen, die
beispielsweise Winkel von θg> 30º definieren, im wesentlichen
reflektierend sein.
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Eine gegebene Wellenleiterwellenlänge λg&sub1; wird in dem
geschlossenen Raum erhalten, der durch den Abschnitt I und
seine Wand 3 gebildet wird. Wenn diese Wellenlänge so gewählt
wird, daß
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d< λg1
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ist, dann werden überhaupt keine Gitterkeulen erhalten, da
gemäß der voranstehenden Erläuterung
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sinθg=λg1/d
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ist. Dies gilt trotz der Tatsache, daß die freie Wellenlänge
λ0< d sein kann. Die in Figur 3 dargestellte planparallele
Struktur mit lediglich einem Raumfilterabschnitt "filtert"
das Feld so, daß das Feld homogener sein wird, mit radikal
reduzierten Gitterkeulenamplituden an der äußeren Öffnung
(der oberen Oberfläche der Wand 3). Der Abschnitt I kann als
ein "dünneres" Medium beschrieben werden, als das Medium in
dem Antennenwellenleiter 1, und zwar hinsichtlich der
Tatsache, daß die gewählte Wellenlänge im Abschnitt I größer
als in dem Wellenleiter ist.
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In diesem Fall ist die Grenzschicht G zwischen den
elektromagnetisch dichteren und dünneren Medien an der
Antennenöffnung zum Abschnitt I gebildet worden. Die
Entfernung oder der Abstand d der Antennenelemente sollte
damit kleiner als 1 (Eins) ausgedrückt in Wellenlängen sein.
Das Gitterkeulenfeld wird dann im Abschnitt I exponentiell
gedämpft. Seine Höhenausdehnung a&sub3; kann in der Größenordnung
von einer Wellenlänge λ&sub0; im freien Raum sein.
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Die Wellenleiterstruktur ist nicht auf den beschriebenen Fall
beschränkt, bei dem die Antennenelemente die Form von
Schlitzen aufweisen. Die Antennenelemente können alternativ
beispielsweise Dipolelemente umfassen. Ferner ist es nicht
erforderlich, den Speisewellenleiter 2 in der Weise
anzuordnen, die in den Figuren dargestellt ist. Der
Speisewellenleiter kann alternativ auf der kurzen Seite des
Antennenwellenleiters 1 angebracht sein, so daß das Feld
parallel zu den Längsseiten des Wellenleiters eingespeist
wird, was eine Einspeisung des Felds vereinfachen kann.
Andere Varianten sind auch möglich.