DE69111757T2

DE69111757T2 - Flache Mikrowellen-Schlitzantenne.

Info

Publication number: DE69111757T2
Application number: DE69111757T
Authority: DE
Inventors: Georges Bonnet; Yves Commault; Jacques Roquencourt; Alain Sehan
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1990-11-23
Filing date: 1991-11-15
Publication date: 1995-12-14
Anticipated expiration: 2011-11-16
Also published as: EP0487387A1; FR2669776B1; US5337065A; EP0487387B1; FR2669776A1; DE69111757D1

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Mikrowellen-Schlitzantenne mit einer Struktur geringer Dicke.
Seit langem werden Flachantennen mit strahlenden Schlitzen hergestellt. Auf der Basis einer Struktur der Speisung über Wellenleiter hat die Industrie zahlreiche Modelle entworfen. Diese Antennen besitzen unbestreitbare Vorteile hinsichtlich ihrer funkelektrischen Eigenschaften. Dagegen führt die Schwierigkeit der mechanischen Herstellung zu hohen Fertigungskosten. Die Suche nach verringerten Kosten geht aber zu Lasten der Betriebseigenschaften (Verringerung des Frequenzbandes usw.) und der Verfügbarkeit komplexer Funktionen, wenn man in derselben Technologie bleibt.
Es ist möglich, Flachantennen zu günstigen Preisen herzustellen. Hierzu verwendet man die sogenannte Mikrostreifentechnik (im englischen "microstrip"), bei der die strahlenden Elemente von Diskontinuitäten des Streifens gebildet werden. Man bezeichnet sie mit dem Begriff des strahlenden Fleckens (im englischen "patch"). Sie sind einfach herzustellen, da man eine strahlende Oberfläche direkt durch Lichtätzen herstellen kann. Dagegen sind die Betriebseigenschaften im Vergleich zu denen mit Wellenleitern wegen der nicht vernachlässigbaren Verluste, der Störstrahlung der Speiseleitungen usw. mäßig.
Es gibt noch eine andere Technologie, bei der man Lichtätzverfahren einsetzen und damit verringerte Kosten erzielen kann. Es handelt sich um Dreiplattenleitungen (im englischen "strip line"). In diesem Fall ist das strahlende Element ein in einer Metallebene mit Lichtätzen gebildeter Schlitz, der von einer Leitung gemäß einem in Figur 1 gezeigten Prozeß angeregt wird. Dieser Prozeß wurde von RM. Barret und MH. Barnes im Jahr 1951 vorgeschlagen: "Survey of design techniques for flat profiles microwave antennas and arrays" PS. Hall und JR. James, The Radio and Electronic Engineer, Vol. 48, No 11, Seiten 545 bis 565, November 1978, sowie "Microwave printed circuits" vom RM. Barret und MH. Barnes, Radio and TV News, Vol. 46, 1951, Seite 16. Die Modellbildung und die Charakterisierung eines solchen strahlenden Elements erfolgten nacheinander von AA. Oliner ("The radiation conductance of a series slot in strip transmission line", AA. Oliner, IRE National Convention Record 2, Teil 8, Seiten 89 bis 90 (1954)), von RW. Breithaupt ("Conductance data for off-set series slots in stripline" RW. Breithaupt, IEEE Transactions on Microwave Theory and Technique, November 1968, Seite 969) und von FS. Rao und BN. Das ("Impedance of off-centered stripline fed series slot", JS. Rao und BN. Das, IEEE Transactions on Antennas and Propagation, AP26, November 1978, No 6, Seite 893). In erster Näherung ist das im allgemeinen akzeptierte Ersatzschaltbild das der Figur 2, die weiter unten beschrieben wird.
Außerdem ist aus dem Aufsatz "Nouvelles structures d'antennes planes rendement éléve en lignes triplaques et lignes triplaque suspendu" von E. Ramos, Colloque radar, Versailles, Mai 1984 und dem Aufsatz "Une antenne plane lignes sur substrat suspendu pour les applications de reception satellite a 12 GHz" von E. Ramos, Acta Electronica, Revue du LEP/Philips, Vol. 27, No 1/2, 1985, Seiten 77 bis 83 eine von Wellenleitern gespeiste Antenne bekannt, wobei ein Ende etwa eine Viertelwellenlänge vom Ende der Seele der Dreiplattenleitung entfernt kurzgeschlossen und das andere Ende in einem halben Freiraum offen ist, in dem es sich in Form eines Horns erweitert (siehe Figur 6). Diese Maßnahme führt zu einer erheblichen Dicke für die ganze Struktur, da sich zum bereits erwähnten Viertelwellenabschnitt ein Abschnitt in Richtung auf die strahlende Öffnung hinzufügt, in dem abklingende Modi zur Strahlungsöffnung hin gefiltert werden, die durch das freie Ende der Dreiplattenseele erzeugt werden.
Aus der Druckschrift EP-A-0 295 003 ist eine Antenne mit Dreiplattenstruktur bekannt, die einen Hohlraum einer Tiefe gleich einer halben Wellenlänge besitzt. Diese Antenne ist ebenfalls zu dick.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist eine Mikrowellenantenne, deren Dicke möglichst gering ist (beispielsweise kleiner als 1/4 Wellenlänge), die möglichst geringe Mikrowellenverluste aufweist, möglichst preiswert herzustellen ist und möglichst wenig Störstrahlungen ihrer Speiseleitungen aufweist, sowie in weiten Grenzen in ihrer Richtwirkung eingestellt werden kann.
Ziel der vorliegenden Erfindung ist weiter ein Netz von Mikrowellen-Schlitzantennen, in dem zahlreiche Elementarantennen auf möglichst engem Raum vereint sind, das möglichst wenig Interferenzen zwischen den Mikrowellenkreisen und den Speiseleitungen der Elementarantennen besitzt und das auf einer Metalloberfläche integriert werden kann.
Gegenstand der Erfindung ist eine Mikrowellen- Schlitzantenne nach Anspruch 1.
Die vorliegende Erfindung wird nun anhand mehrerer, nicht beschränkend zu verstehender Ausführungsbeispiele mit Hilfe der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
Figur 1 zeigt schematisch in Perspektive eine Schlitzantenne gemäß dem Stand der Technik, die von einer Dreiplattenleitung gespeist wird.
Figur 2 zeigt das elektrische Ersatzschaltbild der Antenne aus Figur 1.
Figur 3 zeigt schematisch in Perspektive eine andere bekannte Ausführungsform einer Schlitzantenne mit Dreiplattenstruktur.
Figur 4 zeigt teilweise in Perspektive eine bekannte Schlitzantenne mit rückwärtigem Hohlraum.
Figur 5 zeigt teilweise in Perspektive eine an sich bekannte aufgehängte Dreiplattenleitung, die im Rahmen der Erfindung verwendet wird.
Figur 6 zeigt im Schnitt eine Antenne mit strahlendem Wellenleiter in aufgehängter Dreiplattentechnologie und mit rückwärtigem Hohlraum.
Die Figuren 7 und 8 zeigen in Perspektive bzw. im axialen Schnitt eine erfindungsgemäße Antenne.
Die Figuren 9 bis 17 zeigen schematisch von oben verschiedene Ausführungsformen einer erfindungsgemäßen Schlitzantenne.
Figur 18 zeigt ein elektrisches Ersatzschaltbild der Antenne aus Figur 17.
Figur 19 zeigt schematisch im Schnitt eine erfindungsgemäße Antenne mit einem partiellen Reflektor.
Die Figuren 20 und 21 zeigen weitere Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne.
Figur 22 zeigt das Ersatzschaltbild einer erfindungsgemäßen Antenne.
Figur 23 zeigt in Perspektive eine Variante der erfindungsgemäßen Antenne.
Figur 24 zeigt vereinfacht und von oben ein erfindungsgemäßes Antennennetz.
Figur 25 zeigt vereinfacht im Schnitt ein Ausführungsdetail des Netzes aus Figur 24.
Figur 26 zeigt vereinfacht und in Perspektive eine Mikrowellen-Heizeinrichtung mit erfindungsgemäßen Antennen.
Die bekannte Antenne 1 ist vom Dreiplattentyp mit dielektrischen Substraten. Sie enthält zwei dielektrische Substratplatten 2 und 3. Die großen äußeren Seiten dieser Anordnung sind metallbeschichtet. Ein Schlitz 4 ist mittels Lichtätzen in eine der metallbeschichteten Oberfläche eingeschnitten. Ein Metallstreifen 5 ist auf der großen inneren Seite einer der Platten vor deren Zusammenbau aufgebracht. Diese Streifen 5 bildet die Anregungsleitung des Schlitzes 4. In erster Näherung entspricht das Ersatzschaltbild einer solchen Antenne dem in Figur 2 gezeigten Bild: eine Induktivität L1 in Reihe in einer Leitung mit einer Wellenimpedanz Zc ist mit einer Induktivität L2 gekoppelt, die parallel zu einem Scheinwiderstand jB und einem ohm'schen Widerstand Yo liegt. Im übrigen wurde die Abhängigkeit der vom Schlitz auf die Leitung wirkenden Impedanz von der relativen Lage zueinander gezeigt (exzentrische Lage).
Ein Hauptnachteil eines solchen Elements liegt in der Erzeugung des geradzahligen Modus TEM zwischen den leitenden Ebenen (den äußeren metallbeschichteten Seiten der Platten 2 und 3) aufgrund der vom Schlitz gebildeten unsymmetrischen Belastung. Man kann diesen Mangel nur durch Abschirmung der Kopplungszone mittels hinzugefügter metallischer Säulen 6 oder metallisierter Löcher wie in Figur 3 gezeigt beheben. Die durch diese Löcher gebildete Abschirmung bildet einen Hohlraum ("boxed stripline") Aufgrund der völligen Einschließung dieses Hohlraums außerhalb der Speiseleitung wird das so gebildete strahlende Element ein Schlitz mit rückwärtigem Hohlraum ("cavity backed slot"), das erstmals beschrieben wurde von AT. Adams ("Design of transverse slot arrays fed by a boxed stripline" von R. Shavit und RS. Elliot in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol. AP31 No 4, Juli 1983, Seite 545). Diese Schlitze (7) mit rückwärtigem Hohlraum (8), die üblicherweise durch eine axiale Sonde (9) gespeist werden (Figur 4), wurden in zahlreichen Studien untersucht: Theorie ("The input impedance of the rectangular cavity-backed slot antenna", CR. Cokrell, IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. AP24, N 3, Mai 76, Seite 288, und "Electromagnetic fields coupled into a cavity with a slot-aperture under resonant conditions", CC. Liang und DK. Cheng, IEEE Transactions on antennas and propagation, Vol. AP30, No 4, Juli 82, Seite 664), Experiment ("Experimental study of the impedance of cavitybacked slot antenna" von SH. Long, IEEE Transactions on antennas and propagation, vol. AP23, No 1, Januar 75), Optimierung ("Optimisation of cavities for slot antennas", ROE. Lagerlöf, Microwave journal, Vol. 16, No 10, Oktober 73, Seite 12c), mit erweitertem Band ("Cavity backed wide slot antennas", J. Hirokawa et al, IEE Proc.vol. 136, Pt. H No 1, Februar 89, Seite 29). Dieser Technik ist ein kürzlich erschienenes Buch "Microwave cavity antennas" von A. Kumar und HD. Hristov gewidmet (Artech House, 1989, Kapitel 2) gewidmet.
Figur 5 zeigt einen Leitungsabschnitt 10 vom aufgehängten Dreiplattentyp, wie er bei der vorliegenden Erfindung verwendet wird. Diese Leitung 10 ist in einer metallischen Struktur ausgebildet, die zwei Platten 11, 12 aus elektrisch leitendem Material enthält, die gegeneinander gelegt sind. Auf den aufeinanderliegenden Flächen dieser Platten ist je eine Rinne 13 und 14 ausgebildet, wobei diese Rinnen einander gegenüberliegen. Zwischen den beiden Platten wird ein Film 15 aus einem dielektrischen Material eingefügt und auf mindestens einer Seite dieses Films ist ein Streifen 16 aus elektrisch leitendem Material ausgebildet. Dieser Streifen 16 ist von geringerer Breite als die Rinnen 13 und 14, und seine Längsachse fällt vorzugsweise mit der Längsachse der Rinnen zusammen. Eine solche Leitung besitzt bezüglich der Leitung mit dielektrischen Substraten aus Figur 1 zwei wichtige Vorteile: sie weist geringere Verluste aufgrund des Wegfalls der dielektrischen Substrate und eine Abschirmung zwischen benachbarten Leitungen aufgrund der metallischen Struktur und aufgrund der Möglichkeit auf, metallbeschichtete Löcher in dem Film 15 vorzusehen. Diese Kombination erzeugt für jede Leitung einen um jeden Streifen herum geschlossenen Kanal.
In Figur 6 ist eine bekannte Antenne 17 mit strahlender Öffnung gezeigt. Diese Antenne 17 wird von einer Leitung 18 vom aufgehängten Dreiplattentyp gespeist, die der aus Figur 5 ähnlich ist. Die Leitung 18 mündet in einen Hohlraum 19 mit kreisförmigem Querschnitt und einem größeren Durchmesser als λ/2. Dieser Hohlraum 19 enthält zwischen der Leitung 18 und der Ausgangsöffnung einen zylindrischen Abschnitt 20 einer Länge T, die sich wenig von λ/4 unterscheidet, und eine sich in Form eines Horns erweiternde Öffnung 21. Auf der entgegengesetzten Seite bezüglich der Leitung 18 endet der Hohlraum 19 in einem zylindrischen Hohlraum 22, dessen Tiefe P etwa λ/4 beträgt. Die Seele 23 der Leitung 18 endet im wesentlichen im Zentrum des Kreises, der von der Schnittlinie des Films 24 der Leitung und dem Hohlraum 19 gebildet wird, d.h. λ/4 von der Wand des Hohlraums entfernt. Der Abschnitt 20 dient zum Filtern der höheren abklingenden Modi, die vom freien Ende der Seele 23 der aufgehängten Dreiplattenstruktur im Hohlraum 19 großer Abmessungen erzeugt werden. Diese Antenne 17 hat also eine Struktur großer Dicke (größer als λ/2), was ihre Verwendung in Anwendungen ausschließt, die eine sehr dünne Struktur erfordern.
In den Figuren 7 und 8 ist eine erfindungsgemäße Antenne 25 gezeigt. In diesen Figuren wurde nur ein einziger Schlitz gezeigt, aber natürlich kann eine gemeinsame Struktur mehrere Schlitze aufweisen, die entweder unabhängig voneinander oder von einer gemeinsamen Quelle über Verteiler gespeist werden.
Die Antenne 25 wird aus zwei Platten 26, 27 aus elektrisch leitendem Material gebildet, die durch beliebige geeignete Mittel unter Zwischenfügung eines Films 28 aus dielektrischem Material zusammengesetzt sind. In jeder der Platten 26 und 27 ist auf einen Teil der Länge dieser Platten eine Rinne 29 bzw. 30 ausgebildet. Diese Rinnen können geradlinig oder auch nicht geradlinig sein. Eines der Enden der Rinnen 29 und 30 endet an einer der Seiten der entsprechenden Platte. Diese Rinnen besitzen beide einen rechteckigen Querschnitt und die Tiefe, die weniger als λ/8 beträgt, kann über die ganze Länge konstant sein oder auch hinsichtlich mindestens einer der Rinnen variieren, wie dies in Figur 20 gezeigt ist. Ihre Breiten sind gleich. Vorzugsweise sind auch die Tiefen der Rinnen 29 und 30 einander gleich. Die Platten 26 und 27 sind so zusammengebaut, daß die Rinne 29 der Rinne 30 gegenüberliegt.
Auf einer oder beiden Seiten des Films 28 wird in dem kanal 31, der durch die Rinnen 29 und 30 gebildet wird, ein elektrisch leitender Streifen 32 ausgebildet, der eine Seele einer Dreiplattenleitung 31A mit dem Kanal 31 und der Seele 32 bildet. Die Längsachse des Bandes 32 fällt vorzugsweise mit der Längsachse des Kanals 31 zusammen. Die Seele 32 kann bis zum geschlossenen Ende 33 des Kanals 31 (wie in Figur 8 gezeigt) verlängert sein und bildet damit einen Kurzschluß mit den leitenden Platten 26 und 27, oder sie kann knapp vor diesem Ende in einem Schutzabstand gegen einen Überschlag enden (wie in Figur 17 gezeigt).
Knapp vor dem Ende 33 des Kanals 31 wird in mindestens eine der Platten 26 und 27 ein strahlender Schlitz 34 eingeschnitten, der in den Figuren 7 und 8 zu sehen ist. Nachfolgend werden verschiedene Formen dieses Schlitzes beschrieben. Im einfachsten Fall, der in den Figuren 7 bis 10, 12, 13, 15, 16, 23 und 26 gezeigt ist, handelt es sich um einen geradlinigen Schlitz, der senkrecht zur Achse des Kanals 31 verläuft, zumindest was den Bereich dieses Kanals angeht, der sich in der Nähe dieses Schlitzes befindet. Dieser Schlitz hat die Form eines länglichen Rechtecks, und seine Enden sind vorzugsweise abgerundet. Wenn die Seele der Dreiplattenleitung im Kurzschluß an den Enden 33 des Kanals (z.B. Figur 8) anliegt, befindet sich der Schlitz in einem Abstand d1 von diesem Ende, der kleiner als λ/8 ist. Wenn das Ende der Seele der Dreiplattenleitung vor dem Ende der Platte endet (Figur 10), wird der Abstand d2 zwischen diesem Ende und dem geschlossenen Ende des Kanals einfach dazu verwendet, eine ausreichend hohe Endimpedanz zu gewährleisten, und der Abstand LE zwischen der Achse des Schlitzes und dem Ende der Seele beträgt im wesentlichen λ/4. Der Schlitz besitzt an seiner Mittelachse eine Länge LF, die im allgemeinen zwischen 0,4 und 0,6 λ liegt (λ ist die Arbeitswellenlänge). Die Breite LA kann zwischen 0 und etwa 0,1 λ liegen, wobei der letztgenannte Wert noch höher sein kann, wenn nur ein Resonanzmodus im Nutzfrequenzband existieren kann.
Natürlich ist im allgemeinen Fall (zum Beispiel Figur 9) die Länge LF des Schlitzes größer als die Breite LC des Kanals 31. Daher erweitert sich letzterer vor dem Schlitz vorzugsweise aber nicht notwendigerweise auf etwa 1/4 der Wellenlänge des Schlitzes und bildet einen Hohlraum 35 (siehe Figuren 8 und 9). Die Seele 32 kann sich auch in der Nähe des Schlitzes 34 hinter dem Anfang des Hohlraums 35 erweitern. Von oben gesehen kann der Hohlraum 35, wie beispielsweise in Figur 9 gezeigt, eine im wesentlichen rechteckige Form besitzen, aber andere Formen sind möglich, wie nachfolgend ausgeführt wird.
Natürlich hängt die Länge LF des Schlitzes 34 von der verwendeten Wellenlänge ab und beträgt im wesentlichen λ/2. Die Abmessungen, Formen und gegenseitigen Stellungen des Endes der Seele 32, des Schlitzes 34 und des Hohlraums 35 sind Justierparameter für die Konzeption der Antenne, Parameter zur Impedanzanpassung und ggf. zur Abstimmung von Antennennetzen, insbesondere für dichte Netze.
In Figur 10 wurde der Fall dargestellt, daß das Ende der Seele nicht kurzgeschlossen ist, wobei der Abstand LE zwischen der Achse des Schlitzes und diesem Ende im wesentlichen λ/4 beträgt.
Die Länge LCAV des Hohlraums (35 oder 37) und seine Form, die Lage des Schlitzes (34, 38) bezüglich dieses Hohlraums und die Form der Seele werden beim Entwurf der Antenne so bestimmt, daß korrekte Impedanzanpassungen zwischen der Leitung und dem Hohlraum und zwischen diesem Hohlraum und dem Schlitz erzielt werden.
So ist es zur Verringerung der Nutzfläche der Antenne, wie in den Figuren 11A und 11B gezeigt, möglich, die Enden des Schlitzes umzubiegen, so daß sich eine U-Form ergibt. In Figur 11A verläuft der Schlitz 41 entlang der Enden des Hohlraums 42, und die Breite d3 des Hohlraums ist praktisch gleich dem Abstand d4 zwischen den Außenseiten der schenkel des von dem Schlitz gebildeten U. Die Länge d5 des Hohlraums wird ebenfalls so bestimmt, daß sich eine korrekte Anpassung der Antenne ergibt. Die tatsächliche Länge des Schlitzes 41 ist dann die Länge der Mittellinie F zwischen seinen beiden Enden 43, 44.
In Figur 11B hat der Schlitz 41' dieselben Formen und Abmessungen wie der Schlitz 41, während der Hohlraum 42' breiter, aber kürzer als der Hohlraum 42 ist.
Wie in Figur 12 gezeigt, kann es nützlich sein, für die Integration der Antenne in ein Netz die Achse 45 der Leitung 46 bezüglich der Längsachse 47 des Hohlraums 48 exzentrisch anzuordnen (die Achse 47 verläuft durch den Mittelpunkt M des Schlitzes 49). Um außerdem die Impedanz des strahlenden Schlitzes an die der Leitung anzupassen, kann man das Ende 50 der Seele der Leitung um einen Wert d7 seitlich verschieben. Der Wert d7 kann sogar großer als d6 sein.
Wie in Figur 13 zu sehen, kann man die Breite der Seele 51 der Speiseleitung der Antenne in der Nähe des Hohlraums 52 und/oder innerhalb dieses Hohlraums variieren. Beispielsweise kann man an dieser Seele eine Verengung 53 am Eingang des Hohlraums und dann nach einer kurzen Länge eine Erweiterung 54 vorsehen (deren Breite der der Seele der Leitung vor der Einengung entspricht oder nicht), und dann kann man das Ende 55 der Seele wieder enger gestalten. Die Breitenänderungen der Seele können mit oder ohne Übwergang erfolgen. Solche Veränderungen der Breite der Seele bringen in an sich bekannter Weise reaktive Wirkungen (induktiv oder kapazitiv) oder Impedanzwandlerwirkungen (insbesondere kann sich ein Viertelwellenlängentransformator ergeben).
Gemäß der Ausführungsform in Figur 14 kann man zur Ausbildung eines deutlichen Kurzschlusses zwischen den beiden leitenden Platten der Dreiplattenstruktur um den Hohlraum herum metallbeschichtete Löcher 56 im Film 57 dieser Struktur um den ganzen den Kanal 58 der Leitung und 5den Hohlraum 59 begrenzenden Umriß herum ausbilden. Der gegenseitige Abstand dieser Löcher ist kleiner als λ/8.
Gemäß Figur 15 hat der Hohlraum 60 (von oben gesehen) eine im wesentlichen dreieckige Form, die sich zunehmend vom Kanal 61 der Speiseleitung bis zum Schlitz 62 erweitert. Gemäß Figur 16 hat der Hohlraum 63 (von oben gesehen) eine Kreisform. Der Schlitz 64 kann durch den Mittelpunkt dieses Hohlraums verlaufen. Das Ende der Seele 65 der Speiseleitung kann, wie dies in Figur 16 gezeigt ist, vorzeitig enden, kann aber auch, wie für alle Ausführungsformen der erfindungsgemäßen Antenne, in einem Kurzschluß enden.
In Figur 17 ist eine andere Ausführungsform dargestellt, bei der die Seele 66 vorzeitig endet und der Hohlraum 67 eine Rechteckform besitzt, während der Schlitz 68 U- förmig ist. Der Abstand d8 zwischen der Achse des zentralen Schlitzbereichs (senkrecht zur Achse der Seele 66) und dem Ende der Seele 66 beträgt im wesentlichen λ/4.
In Figur 18 ist das vereinfachte elektrische Ersatzschaltbild der Ausführungsformen dargestellt, bei der die Seele vorzeitig endet. Dieses Schaltbild enthält eine Leitung mit einer Wellenimpedanz Zc, die der Speiseleitung der Antenne entspricht. Diese Leitung setzt sich über den Beginn 69 des Hohlraums 67 bis zum Schlitz 68 fort, der einer Induktivität 70 in Reihe in der Leitung entspricht, die mit einer Induktivität 71 und einem dazu parallelen Widerstand 72 gekoppelt ist. Die Leitung endet in einem Abschnitt 73 mit einer Länge von im wesentlichen λ/4, die über einen Kondensator 74 abgeschlossen ist, der dem offenen Ende der Leitung entspricht und dessen Wert unter anderem von dem Abstand d9 zwischen dem Ende der Seele und dem Hohlraum abhängt.
Wie in Figur 19 gezeigt, kann man der erfindungsgemäßen Antenne (in einer beliebigen der Ausführungsformen) einen partiellen Reflektor 75 zuordnen, der an sich bekannt ist und parallel zur Metallebene 76 angeordnet ist, in der der Schlitz 77 ausgebildet ist. Der strahlende Schlitz nutzt so einen Bildeffekt, der die Richtwirkung erhöhen kann. Mit Fo ist der Mittelpunkt des Schlitzes und mit F1, F2, F3 sind die aufeinanderfolgenden Bilder dieses Mittelpunkts nach den verschiedenen Reflexionen (r1, r2, r3, ..) der ausgesendeten Welle am Reflektor 75 bezeichnet. Der partielle Reflektor kann entweder von einer dielektrischen Wand einer geeigneten Dicke und Dielektrizitätskonstante gebildet sein (siehe beispielsweise "Image element antenna array for a monopulse tracking system for a missile" US Patent 3 990 078 vom 2.11.1976 von EC. Belee, RC. Breithaupt, DL. Godwin und SH Walker und "A highly thinned array using the image element" von BH. Sasser (Motorola), Symposium on Antennas and Propagation, September 1980, Quebec) oder von einem Metallgitter oder seinem Komplement gebildet sein ("Partially reflecting sheet arrays" von G. von Trentini, IRE Transactions on Antennas and Propagation, Oktober 56, Seite 666 und "Leakywave multiple dechroic beam formers" von JR. James et al, Electronic Letters, 31. August 1989, Vol. 25, No 18, Seite 1209), oder auch von zahlreichen Kombinationen, wie sie beschrieben sind in "Microwave cavity antennas" von A. Kuwar und HD. Hristov, Artech House, 1989, Kapitel 3. Natürlich sollten die verschiedenen oben erwähnten Justierparameter für die Antenne den partiellen Reflektor berücksichtigen, der vor dem strahlenden Schlitz liegt. Der Abstand d zwischen dem Reflektor 75 und der Ebene 76 beträgt ungefähr λ/2.
Wie in Figur 20 gezeigt, kann man an einzelnen Stellen die Höhe des Kanals 78 (Stufe 79) und/oder des Hohlraums 80 (Stufe 81) verändern. Solche örtliche Veränderungen der Höhe des Kanals und/oder des Hohlraums erzeugen ähnliche Effekte wie die Veränderungen der Breite der Seele, die oben anhand von Figur 13 erläutert wurden. Man kann so, indem man diese verschiedenen Parameter verändert, den Betrieb der erfindungsgemäßen Antenne in einem möglichst breiten Frequenzband optimieren.
Gemäß Figur 21 werden die beiden Seiten des Films 82 einer Dreiplattenstruktur zur Bildung der Seele 83 mit Metall beschichtet, und die beiden Seiten 83A, 838 dieser Seele werden miteinander verbunden, indem metallbeschichtete Löcher 84, vorzugsweise in regelmäßigen Abständen < λ/8 ausgebildet werden. Diese metallbeschichteten Löcher können nur in dem Bereich der Seele vorliegen, der sich im Hohlraum 85 befindet, oder auch über die ganze Länge der Seele.
In Figur 22 wurde das Ersatzschaltbild der erfindungsgemäßen Antenne dargestellt. Die Speiseleitung mit einer Wellenimpedanz Zc kommt an einem Vierpol (x1, x2, x3) an, der den Eingangs-Vierpol in den Hohlraum bildet (Übergang zwischen dem Kanal der Leitung und dem Hohlraum). Auf diesen Vierpol folgt ein Leitungsabschnitt einer Länge d7 entsprechend dem Abstand zwischen dem Eingang des Hohlraums und dem Schlitz. Der Schlitz entspricht einer Reiheninduktivität L1, die an eine Induktivität L2 und einen dazu parallelen Scheinwiderstand jB und einen ohm'schen Widerstand Yo gekoppelt ist. Hinter dem Schlitz befindet sich ein Leitungsabschnitt der Länge d8, der über einen Scheinwiderstand jbt in einem Abstand d8 vom Schlitz abgeschlossen ist (vorzeitig endender Streifen oder Kurzschluß).
Die Ausführungsform gemäß Figur 23 enthält die folgenden, bereits oben beschriebenen Elemente: Platten 86, 87 und Film 88, auf dem die Seele 89 ausgebildet ist. Der in der Platte 87 vorgesehene Schlitz trägt das Bezugszeichen 90. Dieser Schlitz sowie der in dieser Figur nicht sichtbare Hohlraum können nach einem beliebigen der oben beschriebenen Beispiele gestaltet sein. Auf der Platte 87 werden zwei Monopole 91 und 92 in gleichem Abstand von der Achse 93 des Schlitzes ausgebildet oder befestigt und auf einer Achse 94 senkrecht zur Achse 93 angeordnet, die durch den Mittelpunkt des Schlitzes 90 verläuft. Diese beiden Monopole 91 und 92 sind beispielsweise gerade Zylinderstümpfe, die senkrecht zur Platte 87 verlaufen. Sie sind hohl oder nicht hohl und ihr Durchmesser liegt in der Nähe von 1/10 der Länge des Schlitzes 90, während die Höhe gleich oder kleiner als λ/4 ist. Solche Monopole sind an sich bekannt (siehe z.B. "An improved element for use in array antenna" von A. Clavin, DA Huebner und JF Kilburg, IEEE Transactions on antennas and propagation, AP22, No 4, Juli 1974, Seite 521). Mit diesen Monopolen kann man die Richtwirkung des strahlenden Schlitzes 90 erhöhen und/oder die Kopplung des Schlitzes mit Nachbarschlitzen verringern, wenn dieser Schlitz Teil eines Netzes ist.
In Figur 24 ist ein vereinfachtes Beispiel für die Speisung eines Netzes von Schlitzen ausgehend von einer gemeinsamen Leitung 95 gezeigt. Das Netz enthält hier vier Schlitze, aber natürlich kann diese Zahl auch größer sein. Die Leitung 95 teilt sich in zwei Zweige 96 und 97 auf, die je wieder in zwei Unterzweige 98 und 99 bzw. 100 und 101 unterteilt werden. Die gemeinsame Leitung, die Zweige und die Unterzweige werden genauso wie die Leitung in Figur 5 ausgebildet. Diese vier Unterzweige speisen je einen Schlitz 102, 103, 104 und 105. In jeden dieser Unterzweige wird eine Mikrowellenschaltung 106, 107, 108 und 109 eingefügt. Diese Mikrowellenschaltungen sind beispielsweise Phasenschieber, könnten aber auch Verstärker oder Dämpfungsglieder sein. Natürlich könnten solche Mikrowellenschaltungen auch in die Zweige 96 und 97 oder gar die Leitung 95 eingefügt sein.
In Figur 25 ist gezeigt, wie ein Mikrowellenelement 110 (Phasenschieber, Verstärker, Mischstufe, Dämpfungsglied usw.) in eine Leitung 111 (entsprechend einer der Leitungen 95 bis 101) gemäß der Erfindung eingefügt wird. Man zerschneidet oder unterbricht die Leitung 111 über eine Länge, die gerade ausreicht, um das Element 110 einzufügen. Dieses Element 110 kann nach einer beliebigen, in der Mikrowellentechnik geeigneten Technologie hergestellt sein, beispielsweise in Mikrostreifentechnologie auf einem Aluminiumoxidsubstrat, und ist in einem Gehäuse 112 aus elektrisch leitendem Material eingeschlossen. Die Eingangs- und Ausgangsklemmen 113, 114 des Elements 110 sind beispielsweise Glasperlen, durch die Leiter verlaufen und die am Gehäuse 112 befestigt sind. Die Enden 115, 116 der unterbrochenen Seele der Leitung 111 sind direkt, beispielsweise durch Löten oder Metallbeschichten, mit den Klemmen 113, 114 verbunden, die natürlich in der Ebene der Seele liegen. So behält man den Vorteil geringer Verluste der aufgehängten Dreiplattenleitung und den des kompakten Aufbaus des Elements 110 bei.
In Figur 26 ist in vereinfachter Form ein Mikrowellen-Heizgehäuse 117 gezeigt, d.h. ein mit Mikrowellenenergie arbeitendes Gerät. Auf der Innenwand des Gehäuses 117 ist eine nicht im einzelnen dargestellte Dreiplattenstruktur 118 so ausgebildet, daß sie an den Wänden anliegt. Diese Struktur enthält mehrere Schlitze 119, die an geeigneten Stellen der Wände liegen, so daß eine homogene oder eine andere gewünschte Verteilung der Heizenergie erzielt wird. Diese Schlitze werden von einer gemeinsamen Leitung 120 über Verteiler 121 gespeist. Man kann auch die erfindungsgemäße Antenne in einem medizinischen Hyperthermiegerät einsetzen.
In der Praxis wird die erfindungsgemäße Dreiplattenstruktur gebildet, indem zwei Halbkanäle in zwei benachbarten Platinen erzeugt werden. Diese Platinen schließen einen mit Metall beschichteten dielektrischen Film zwischen sich ein. Der Zusammenbau der beiden Platinen erfolgt mit Schrauben, Nieten oder nach einem anderen Verfahren.
Der Film kann aus einem beliebigen, im Handel befindlichen, spezialisierten Material (Marken Duroid, Cuclad usw.) bestehen, das im allgemeinen ein Harz (Polytetrafluoräthylen, Polyimid usw.) mit oder ohne Glasfasern (geflochten oder filzartig) enthält. Die Metallbeschichtung des Films kann auf einer oder beiden Seiten erfolgen. Die letztgenannte Art kann Vorteile hinsichtlich der Verluste und der Entkopplung bezüglich eines Nachbarkanals bieten. Die beiden Platinen, die den Kanal der Dreiplattenleitung bilden, werden durch metallbeschichtete Löcher (siehe Figur 14) kurzgeschlossen. Außerdem können metallbeschichtete Löcher nützlich sein, um die elektrische Symmetrie bei der Verwendung einer doppelseitigen Dreiplattenseele zu gewährleisten (Figur 21).
Die Form des Hohlraums, wie sie in Figur 9 angedeutet ist, beschränkt die Erfindung nicht. Der Krümmungsradius in den Winkeln hängt von der Herstellungstechnologie der Platinen ab. Er kann von einem Wert 0 (scharfe Ecke) bis zu einem Wert reichen, der mit dem Schlitz (Figur 11a) kompatibel ist.
Da der Schlitz in einer zur Fortpflanzungsrichtung querliegenden Ebene ausgebildet ist, schneidet er die Längslinien des Stroms und entspricht daher einer Reihenimpedanz gemäß dem klassischen Ersatzschaltbild von Figur 2. Im besonderen Fall der Erfindung endet die Leitung in einer rein reaktiven Impedanz, die im bevorzugten Fall der Figur 9 ein Kurzschluß ist oder eine offene Schaltung (Fall der Figuren 10, 16 oder 17). Im allgemeinen Fall wird das Ersatzschaltbild aus Figur 2 im Rahmen der Erfindung zum Ersatzschaltbild der Figur 22, in dem ein Übergangs-Vierpol zwischen die aufgehängte Dreiplattenleitung und den mit dem Schlitz gekoppelten Hohlraum eingefügt ist. Falls andere reaktive Elemente oder Transformatoren verwendet werden, um die Lastimpedanz an die Impedanz der Leitung anzupassen, müssen diese an geeigneter Stelle in das Ersatzschaltbild eingesetzt werden.
Für die Feinjustierung sind drei Methoden möglich, je nach den verfügbaren Mitteln:
1) Charakterisierung der verschiedenen Elemente des Ersatzschaltbildes gemäß Figur 22:
- man versucht, entweder durch mathematische Mittel (z.B. modale Analyse) oder durch Messungen mit dem Netzanalysator jedes der Elemente des Ersatzschaltbilds zu bestimmen (Impedanztransformator, reaktive Diskontinuitäten usw.),
- man bringt jedes der Elemente, deren Abhängigkeit von der Geometrie dann bekannt ist, in eine Optimierrechnung ein (das Kriterium ist die Stabilität der relativen Impedanz der Leitung in einem bestimmten Frequenzband). Dies setzt voraus, daß sich keine Abhängigkeit zwischen den Größen des Ersatzschaltbildes außer den berücksichtigten bemerkbar macht. So sind die Kopplungen durch abklingende Modi ausgeschlossen, was in einer wie gewünscht sehr kompakten Struktur nicht ausreicht.
2) Rein experimentelle Feinabstimmung:
Dies setzt eine Kenntnis der Abhängigkeit bestimmter Größen von der Geometrie voraus (Beispiele: Resonanzlänge des Schlitzes, Impedanz des Schlitzes abhängig von der exzentrischen Lage der Anregungsleitung usw.).
Dies setzt eine Optimierung durch eine logische und zu dem gewünschten Ziel führende Annäherung voraus (im englischen "try and cut").
3) Feinabstimmung mit dem Rechner
Für eine bestimmte Geometrie kann die Verteilung des Felds und der Ströme in der Struktur beispielsweise mit der Methode der endlichen Elemente berechnet werden. Daraus leitet man die relative Impedanz der Leitung ab. Durch aufeinanderfolgende Veränderungen der Geometrie muß man zum gewünschten optimalen Kriterium finden (möglichst geringe Dicke der Dreiplattenstruktur). Hier handelt es sich um eine digitale "try and cut"-Methode.
Vorstehend wurde auf den partiellen Reflektor nicht eingegangen, aber selbstverständlich berücksichtigt die Definition der Impedanz des Schlitzes, gesehen von der Leitung her, den Einfluß dieses Reflektors. Außerdem folgt die Definition dieses Reflektors, der die bestimmte Richtwirkung erhöht, den bekannten Regeln betreffend die dielektrischen Wände oder die mechanischen Gitter und dichroitischen Netze.
Die erfindungsgemäße Vorrichtung ist in allen strahlenden Strukturen verwendbar, bei denen man gleichzeitig geringe Verluste der Speiseschaltung (Verwendung einer aufgehängten Dreiplattenstruktur) und eine geringe Dicke erzielen möchte (Dreiplattenstruktur + Schlitz).
Diese geringe Dicke der strahlenden Struktur ist insbesondere in Anlagen für Flugzeuge erwünscht, kann aber auch immer dann angewendet werden, wenn die Integration in ein Gerät vereinfacht wird, in dem der Raumbedarf in der Strahlungsrichtung (oder deren Nähe) Probleme bietet.

Claims

1. Mikrowellen-Schlitzantenne mit einer Struktur geringer Dicke und mit einer Speiseleitung (31A, 40, 46, 61, 98 bis 101) sowie einem Hohlraum, wobei die Leitung in einer sogenannten aufgehängten Dreiplattenstruktur untergebracht ist, die zwei Platten aus elektrisch leitendem Material und einen dazwischenliegenden Film (26, 27, 28, 86, 87, 88) enthält, auf dem eine leitende Seele der Leitung liegt, wobei das Ende der Seele der Leitung (32, 39, 50, 51, 65, 66, 89) in den Hohlraum (35, 37, 42, 42', 48, 52, 59, 60, 63, 67, 85) eindringt, in der mindestens ein Schlitz (34, 38, 41, 41', 49, 62, 64, 68, 90, 119) ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Speiseleitung aus zwei einander gegenüberliegenden Rinnen in jeder der beiden Platten besteht, die einen Kanal um diese Seele herum bilden, und daß die Tiefe des Hohlraums praktisch gleich der Dicke des Kanals (31, 78) der Speiseleitung ist, und diese Dicke weniger als ein Viertel der verwendeten Wellenlänge beträgt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie einen partiellen Reflektor (75) enthält, der parallel zur metallischen Ebene (76) angeordnet ist, in der der Schlitz (77) ausgebildet ist.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Seele der Leitung im Kurzschluß mit der Endwand (33) des Hohlraums liegt.

4. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende der Seele der Leitung eine offenen Leitung (36, 65, 66) bildet.

5. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlitz geradlinig ist (34, 38, 49,

6. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Enden des Schlitzes umgebogen sind (41, 41', 68, 102 bis 105).

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Längsachse (45) der Speiseleitung bezüglich der Längsachse des Hohlraums (47) seitlich versetzt ist.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das Ende (50) der Seele der Speiseleitung bezüglich des Mittelpunkts (M) des Schlitzes (49) seitlich versetzt ist.

9. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Breite des Endes der Seele der Speiseleitung variabel ist (53, 54, 55).

10. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dicke des Endes des Kanals der Speiseleitung und/oder die Tiefe des Hohlraums Veränderungen (79, 81) aufweisen.

11. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der dielektrische Film (57) der Dreiplattenstruktur metallbeschichtete Löcher (56) auf dem Umfang des Kanals (58) und/oder des Hohlraums (59) aufweist, die die beiden elektrisch leitenden Platten der Dreiplattenstruktur um den Hohlraum und/oder den Kanal herum in elektrischen Kontakt bringen.

12. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens das Ende der Seele der Leitung eine Metallbeschichtung auf beiden Seiten (83A, 83B) des Films der Dreiplattenstruktur aufweist.

13. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie zwei Monopole (91, 92) aufweist, die senkrecht zur äußeren Oberfläche der den Schlitz enthaltenden Platte (87) zu beiden Seiten dieses Schlitzes angeordnet sind.

14. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie in ihrer Speiseleitung (111) ein Gehäuse (112) enthält, in dem sich ein Mikrowellenelement befindet.

15. Antenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Phasenschieber ist.

16. Antenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Element eine Mischstufe ist.

17. Antenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Element ein Dämpfungsglied ist.

18. Antenne nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß das Element einen Verstärker enthält.

19. Mikrowellen-Antennennetz, dadurch gekennzeichnet, daß es Antennen nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

20. Mikrowellen-Heizvorrichtung, dadurch gekennzeichnet, daß sie Antennen nach einem der vorhergehenden Ansprüche enthält.

21. Medizinisches Hyperthermiegerät, dadurch gekennzeichnet, daß es Antennen nach einem der Ansprüche 1 bis 19 enthält.