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Die
Erfindung betrifft Hochleistungsantennen.
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In
der Regel sind diese Antennen in einem großflächigen Netz angeordnet, das
zu einer elektronischen Strahlschwenkung über einen Erfassungswinkel
bis zu +/– 40°, wenn nicht
mehr, geeignet ist. Die einzelnen Strahlungselemente des Netzes
weisen kleine Abmessungen auf im Verhältnis zur Arbeitswellenlänge. Die
Art der Strahlungselemente unterscheidet sich entsprechend dem Frequenzbereich
und/oder der Anwendung, die man betrachtet.
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Schmalbandige
Anwendungen (+/– 10%
um eine Mittenfrequenz) favorisieren den Gewinn und das Fehlen von
Nebenkeulen. Sie sind auf abgestimmte Strahlungselemente gerichtet,
vom Typ Planarantenne oder vom Dipoltyp, im Bestreben darauf, mit
diesen einen mit dem gewünschten
Strahlschwenkungsbereich kompatiblen Erfassungswinkel zu erreichen.
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Bei
breitbandigen Anwendungen (über
eine Oktave hinaus) ist die Hauptproblematik, das beabsichtigte
Band so gut wie möglich
abzudecken, auch dort mit einem mit dem gewünschten Strahlschwenkungsbereich
kompatiblen Erfassungswinkel, im allgemeinen auf Kosten des Gewinns
und auf Kosten von mehr Nebenkeulen.
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Es
existiert somit ein Widerspruch zwischen diesen beiden großen Anwendungsklassen.
Mit anderen Worten war es, ungeachtet verschiedener Versuche, bisher
nicht möglich,
Strahlungselemente zu erhalten, die für schmalbandige Anwendungen
wirklich befriedigende Leistungen bieten, und dabei gleichzeitig
für breitbandigen
Betrieb geeignet sind, auf kontinuierliche Weise und/oder im Multifrequenzmodus.
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Die
vorliegende Erfindung hat zum Ziel, Einrichtungen für die Lösung dieses
Problems zu schaffen.
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Die
vorgeschlagene strahlende Vorrichtung enthält einen Träger, ein ebenes dielek trisches
Substrat, das senkrecht zum Träger
angebracht ist, um im Abstand zum Träger einen freien Rand parallel
zu diesem zu definieren, mit einer Metallschicht auf wenigstens
einer der beiden großen
Seiten des Substrats, versehen mit einer Ausnehmung, die sich bis zum
freien Rand aufweitet, wobei das Substrat somit eine strahlende
Struktur bildet, wo das Profil der Ausnehmung eine Anpassung zwischen
einer Kupplungszone mit einer höchstfrequenten
Einspeisung und einer breitbandigen Strahlungszone in der Nähe des freien
Randes bildet.
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Gemäß einer
allgemeinen Definition der Erfindung, ist das Profil der Ausnehmung
ausgewählt, um
ein im wesentlichen festes Phasenzentrum zu besitzen, in einem schmalen
Frequenzband, das sich um ungefähr
10% um eine gewählte
Mittenfrequenz erstreckt, und dieses im wesentlichen über die
Gesamtheit des Erfassungswinkels; der Träger weist eine Masseebene auf,
die entlang eines Durchtritts ausgenommen ist, der in der Lage ist,
das Substrat aufzunehmen, wobei der Abstand zwischen diesem Durchtritt
und dem freien Rand des Substrats gewählt ist, um die Strahlungsausbeute
im schmalen Band zu optimieren.
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Sehr
vorteilhafterweise sind die beiden großen Seiten des Substrats mit
zwei Metallisierungen mit Ausnehmungen von derselben Form in entsprechenden
Positionen versehen, was ein Einkerbungsprofil liefert. In einer
speziellen, derzeit bevorzugten Ausführungsform ist die Ausnehmung
vom Typ genannt "MONSER"-Einkerbung, die
ein zweistufiges Anpassungsprofil an den freien Raum aufweist.
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Vorzugsweise
liegt der Abstand zwischen dem Durchtritt der Masseebene und dem
freien Rand des Substrats in der Nähe der halben Wellenlänge in Luft
bei der Mittenfrequenz des schmalen Bandes.
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Gemäß einem
weiteren Aspekt der Erfindung ist der seitliche Abstand zwischen
dem Längsrand
des Durchtritts der Masseebene und der großen Seite des Substrats, die
gegenüberliegt,
eingestellt, um eine niedriges Stehwellenverhältnis zu erhalten, unter Vergrößern des
Durchtrittsbandes beim Vorhandensein der Masseebene.
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Weitere
Eigenschaften und Vorteile der Erfindung werden beim Studium der
detaillierten, nachfolgenden Beschreibung und den Zeichnungen im
Anhang klar, in de nen:
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1 schematisch einen ersten
Typ eines strahlenden Elements mit einem „exponentiell" genannten Profil
zeigt;
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2 schematisch die Anordnung
eines strahlenden Elements in einem Antennennetz darstellt;
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3 teilweise, mit genauen
Abmessungen, eine bevorzugte Ausführungsform eines strahlenden Elements
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt;
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die 4A und 4B das strahlende Element aus 3 vollständig darstellen, mit bzw. ohne
Verbinder;
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5 schematisch die Anordnung
des strahlenden Elements aus den 3 und 4 auf einer Masseebene zeigt;
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6 eine Maschenanordnung
im Netz des erfindungsgemäßen strahlenden
Elementes darstellt;
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7 einen Ausschnitt eines
erfindungsgemäßen Antennennetzes
zeigt; und
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die 8 und 9 zwei weitere strahlende Elemente darstellt,
die für
andere Ausführungsformen verwendbar
sind.
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Die
begleitenden Zeichnungen enthalten Elemente mit bestimmter Eigenschaft.
Sie können nicht
nur das Verständnis
dieser Beschreibung erleichtern, sondern tragen auch zur Definition
der Erfindung bei.
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Die
strahlenden Elemente von Antennennetzen, die im Radar oder in der
Telekommunikation verwendet werden, sind abgestimmten Typs: Mikrostreifen-Planarantennen ("patches"); Dipolantennen.
Es sind Mittel bekannt, deren Arbeitsband in einem gewissen Maß zu erweitern
oder diese multifrequenzfähig
zu machen. Wenn man die über
eine Oktave hinausgehenden breitbandigen Eigenschaften untersucht,
offenbaren die Planar- und Dipolantennen einen sehr wichtigen und
für ihre
radioelektrischen Eigenschaften hinderlichen Verlust.
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Andere
Anwendungen machen von breitbandigen Antennennetzen Gebrauch. Deren
strahlende Elemente sind entweder von einem Typ, der Strahlungseigenschaften
aufweist, die frequenzunabhängig
sind (Elemente vom Typ "Spirale" oder vom Typ "logarithmisch-periodisch"), oder von einem
Typ, der mit Wanderwellen arbeitet (Elemente vom Typ "VIVALDI", oder vom Typ "Kerbe").
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Diese
Elemente sind schwer im schmalen Band zu verwenden, sei es aufgrund
ihres niedrigen Gewinns (Spiralantenne), sei es aufgrund ihrer übergroßen Abmessung
(logarithmisch-periodische Antenne), oder aufgrund der Schwierigkeiten,
denen man begegnet, wenn man dahinter anstelle des üblichen
Höchstfrequenz-Absorbtionsmittels
eine Masseebene anbringen möchte
(VIVALDI, Kerbe).
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Beim
Versuch, die Leistungen und Möglichkeiten
von schmalbandigen Antennen mit elektronischer Strahlschwenkung
im Ganzen zu verbessern, hat die Anmelderin das Mittel gefunden,
solche Antennen auf der Basis von strahlenden Elementen zu konstruieren,
die von Hause aus breitbandig sind.
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1 zeigt ein prinzipielles
Schema eines strahlenden Elementes mit exponentiellem Einkerbungsprofil
(insbesondere beschrieben in dem Artikel "A BROADBAND STRIPLINE ANTENNA", L. R. LEWIS, M.
FASSETT, J. HUNT, IEEE Symposium on Antenna Propagation, 1974, S.
335–337).
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Ein
dielektrisches Substrat SU ist auf seinen beiden großen Seiten,
bei M1 und M2, metallisiert bis auf zwei gleichartige Ausnehmungen
E1 und E2, die sich exponentiell bis zu einem freien Rand BL aufweiten,
der senkrecht zu den großen
Seiten ist.
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Dahinter,
d. h. auf Höhe
des schmalen Anteils der Ausnehmungen, sind diese in einer Kopplungszone
CZ an eine Einspeisungsleitung LA gekoppelt, die in einem Dreischichtmodus
("stripline") zwischen den Metallisierungen
M1 und M2 mit einem TEM-Ausbreitungsmodus ankommt.
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Zwischen
den gegenüberliegenden
Rändern derselben
Ausnehmung ist ein Spalt definiert, der sich verbreitert. Die Strahlungseigenschaften
sind prinzipiell einer Ausbreitung von Wanderwellen (Oberflächenwellen)
entlang dem sich zum freien Rand hin verbreiternden Spalt geschuldet,
sowie der Unterbrechung der Ausnehmung auf Höhe des freien Randes.
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Ebenfalls
sind leicht unterschiedliche Einkerbungsprofile bekannt:
- – MONSER-Einkerbung
(US-Patent 3 836 976; "DESIGN
CONSIDERATIONS FOR BROADBANDING PHASED ARRAY ELEMENTS BEYOND TWO
OCTAVES", G. MONSER,
Military Microwave Conferences, S. 392–396, Brighton, England, 1986);
- – Einkerbung
nach POVINELLI ("DESIGN
AND PERFORMANCE OF WIDEBAND DUAL POLARIZED STRIPLINE NOTCH ARRAYS", M. J. POVINELLI,
J. A. Johnson, IEEE Symposium on antennas and propagation, 1988,
S. 200–203).
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Die
Elemente vom Typ VIVALDI ähneln
den Einkerbungsprofilen, weisen aber im Hinblick auf die Einspeisungsleitung
nur eine einzige ausgesparte Metallisierung auf.
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2 zeigt, wie die strahlenden
Elemente R10 ... R19, ... R70 bis R79 auf einem Grundträger BA angeordnet
sein können,
um ein Antennennetz zu bilden.
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Obwohl
diese Elemente derzeit nicht modellierbar sind, gelingt es in einem
gewissen Maße,
diese so einzustellen, daß sie
breitbandig arbeiten, mit Änderungen
des Gewinns als Funktion der Frequenz und des Strahlungswinkels,
die, um erheblich zu sein, dort nicht weniger akzeptabel werden,
wo das Breitband die wesentliche Vorgabe ist.
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Andererseits
müssen
diese Elemente, um gut zu funktionieren, auf einem höchstfrequenten
Absorbtionsmittel angebaut sein, hier dem Träger BA. Diese Notwendigkeit
bringt Probleme mit sich, wenn man dort die für (unter anderen) schmalbandige
Anwendungen erforderliche Masseebene anordnen möchte, zumindest in einem ausreichend
nahen Abstand, damit sie wirksam ist.
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Bei
der Durchführung
von Versuchen mit solchen Einkerbungen, hat die Anmelderin das Mittel gefunden,
diese Schwierigkeiten zu lösen.
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3 zeigt das vorgeschlagene
strahlende Element in der Form einer Einkerbung nach MONSER. Wie
es bereits beobachtet wurde, daß die
Eigenschaften des strahlenden Elementes mit einer dreidimensionalen Ähnlichkeitstransformation
vom Faktor 2 (oder weniger) beibehalten werden, beziehen sich die
Abmessungen auf eine Bezugswellenlänge λ, die jene der Mittenfrequenz
des zu erhaltenden schmalen Bandes sein kann.
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Das
strahlende Element umfaßt
ein dielektrisches Substrat SU, das aus zwei übereinander liegenden Schichten
besteht, die jede eine Dicke e0 = 0.026 λ haben. Dieses
Substrat kann insbesondere aus Glas-Teflon vom Typ DUROID 5880 (eingetragene
Marke) sein.
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Das
flache (im Prinzip ebene) Substrat, hier in rechteckiger Form, weist
einen freien Rand BL auf, im vorliegenden Fall senkrecht zu seinen
beiden großen
Seiten, dessen Länge
(größte Abmessung)
hier a0 = 0.57 λ ist.
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Auf
den beiden großen
Seiten sind die Metallisierungen M1 und M2 vorgesehen. Diese Metallisierungen
haben zwei entsprechende übereinanderlegbare
Ausnehmungen, die in Bezug auf die Mittelsenkrechte des freien Randes
(im dargestellten Beispiel) symmetrisch sind. Im allgemeinen weiten
sich diese Ausnehmungen bis zum freien Rand BL hin auf. In der beschriebenen
Ausführungsform
handelt es sich um ein zweistufiges Profil, das wie folgt dimensioniert ist:
- – breiter
Spalt nahe am freien Rand BL der Breite a1,
= 0.213 λ,
und von der Tiefe (Länge)
p1 = 0.213 λ, gleich seiner Breite;
- – verengter
Spalt, der dem freien Rand gegenüberliegt,
der Breite von etwas weniger als einem Drittel des Vorhergehenden,
es sei a2 = 0.066 λ.
- – die
Gesamttiefe oder -länge
der Ausnehmung ist p2 = 0.343 λ.
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Es
ist zu bemerken, daß diese
Form der Einkerbung sich von jener des US-Patents 3 836 976 insbesondere
in den folgenden Punkten unterscheidet:
- – "quadratischere" Form des Teils der
Ausnehmung, der den breiten Spalt bil det (hier a1 =
p1), und
- – geringe
Tiefe p2 – p1 des
schmalen Spalts am Ende der Ausnehmung.
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Die
Einspeisungsleitung LA ist z. B. zwischen den beiden Schichten des
Substrats SU aufgedruckt. Sie bildet mit den Metallisierungen M1
und M2 ein Dreischichtensystem ("stripline"), verbunden mit einer
höchstfrequenten
Ausbreitung vom Typ TEM ("transverse
electric mode").
Ihr Endbereich LA9 koppelt auf den schmalen Spalt in der Art eines Übergangs
Dreiplatten/Spalt. Dieser Übergang
ist angepaßt,
um gegenphasige Ströme
zwischen den beiden Rändern
des schmalen Spalts in der Kopplungszone zu erhalten.
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In 3 ist aus dem Träger BA eine
leitende Masseebene und ein Reflektor PM geworden. Die Masseebene
kann gekrümmt
sein, innerhalb der mit der höchstfrequenten
Funktion kompatiblen Grenze. Diese Masseebene ist mit Durchtritten
PT von allgemein rechteckiger Form versehen (hier mit abgerundeten
Enden, um die Fertigung zu erleichtern). Die Abmessungen eines Durchtritts
sind wie im Beispiel dargestellt:
- – Länge f1 = 0.636 λ,
und
- – Breite
f0 = 0,073 λ.
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Ein
einzelnes strahlendes Element kann an einer ausgewählten Position
im Prinzip symmetrisch bezüglich
des Durchtritts der Masseebene gehalten werden. Diese Positionierung
kann mit Hilfe von Längsführungsflügeln GU,
die auf seinem hinteren Verbinder CR (4A)
angeordnet sind, erreicht werden. Wie es 4B zeigt, biegt sich die Einspeisungsleitung
LA ausgehend von der Einkerbung, um in Längsrichtung auf die Ader CR1
des Verbinders zu treffen, den man in gleicher Weise wie die Löcher CR8
für die
Befestigungsschrauben des Verbinders CR sieht.
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5 zeigt schematisch die
Anordnung auf beiden Seiten der Masseebene PM. Auf dieser ist ein z.
B. metallischer Träger
für den
Verbinder CR aufgebracht.
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Die
Breite der Antenne ist in diesem Beispiel a0 =
0,57 λ. 6 zeigt, daß es möglich ist,
ein gleichseitiges Maschennetz mit einem vertikalen Abstand pv =
0,536 λ,
und einem horizontalen Abstand ph = 0,619 λ zu konstruieren. Und 7 stellt einen Teil eines
auf diese Weise erhaltenen Netzes dar. Selbstverständlich kann
ein reales Netz eine deutlich höhere
Anzahl von Elementen aufweisen, insbesondere mehrere hundert.
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Die
Anmelderin hat beobachtet, daß dieses Antennennetz
in einem Band von 10% um eine Mittenfrequenz (entspricht λ) mit einem
Erfassungswinkel von +/– 60° funktioniert,
und dieses, ohne auf Nebenkeulen zu stoßen, die durch das Netz herrühren. Dies
entspricht gut den Bedürfnissen
des schmalen Bandes, in einer relativ einfachen und ökonomischen Ausführung.
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Das
Antennennetz liefert darüber
hinaus den Vorteil, einen Durchlaßbereich zu besitzen, der größer als
eine Oktave ist. Dies macht es dazu geeignet, in anderen schmalbandigen
Modi zu arbeiten, insbesondere im Multifrequenzmodus.
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Bei
dem gegenwärtigen
Stand ihrer Arbeiten schätzt
die Anmelderin, daß die
erhaltenen Leistungen sich auf die nachfolgend dargestellte Weise
erklären.
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Es
wurde zunächst
beobachtet, daß die
Einkerbung ein im wesentlichen festes Phasenzentrum aufweist, im
wesentlichen auf Höhe
des freien Randes, in einem schmalen Frequenzband, das sich über ungefähr 10% um
eine gewählte
Mittenfrequenz erstreckt, und dies im wesentlichen über die
Gesamtheit des Erfassungswinkels.
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Indem
man eine Masseebene nahe am strahlenden Teil einer Einkerbung, anstatt
des üblichen
Absorptionsmittels plaziert, erwartet man, im wesentlichen die Leistungen
herabzustufen, und dadurch, daß die
Einkerbung noch weniger zu schmalbandigen Anwendungen paßt, insbesondere
zu denen, wo der Phase viel Bedeutung zukommt.
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Gleichwohl
ist es unzweifelhaft, daß der
Abstand zwischen dem Durchtritt und dem freien Rand des Substrats
gewählt
werden kann, um die Strahlungsausbeute in be sagtem schmalen Band
zu optimieren, und so die negativen Effekte durch das Vorhandensein
der Masseebene zu kompensieren. Vorzugsweise ist der Abstand d0 zwischen dem Durchtritt PT der Masseebene
und dem freien Rand BL des Substrats in der Nähe der halben Wellenlänge in Luft der
Mittenfrequenz des schmalen Bandes. In 3 ist d0 ungefähr 0,44 λ. Unterschiedliche
Werte können
jedoch in gleicher Weise passend sein.
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Dies
wurde mit Einkerbungen nach MONSER beobachtet. Man schätzt, daß analoge
Anpassungen mit einer Einkerbung nach POVINELLI (8) oder einem exponentiellen Einkerbungsprofil (9) durchgeführt werden
können.
Derartige Anpassungen sind in gleicher Weise vorstellbar mit VIVALDI-Elementen,
die unter gewissen Bedingungen wie Halbkerben betrachtet werden
können.
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Desweiteren
kann der seitliche Abstand zwischen den Längsrändern des Durchtritts PT der
Masseebene und jeder großen
Seite des Substrats eingestellt werden, um ein niedriges Stehwellenverhältnis zu
erhalten, unter Vergrößern des
Durchlaßbereichs bei
vorhandener Masseebene. Das beschriebene Element weist über eine
Bandbreite größer als
eine Oktave einen aktiven Reflexionskoeffizienten von 10 dB auf,
was einem aktiven Stehwellenverhältnis (TOS)
von 2/1 entspricht. Das Strahlungsdiagramm weist eine Öffnung von
90° auf.
Man kann es folglich auch im Breitband verwenden, mit einem Erfassungswinkel
von +/– 45°, für Nebenkeulen,
die mindestens 10 dB unter dem Niveau der Hauptkeule liegen. Die
Störimpulsbeseitigung
der elektronischen Strahlschwenkung kann für diese Anwendung durch Verzögerungsleitungen
erreicht werden. Die Leistungen im Breitband können verbessert werden, wenn die
strahlenden Elemente, die auf dem Umkreis des Antennennetzes liegen,
nicht auf diese Weise versorgt werden. Das Substrat des strahlenden
Elementes kann nach hinten verlängert
werden, um für
eine gedruckte Schaltung benutzt zu werden, die die aktiven oder
passiven Bauteile der elektronischen Schwenkvorrichtung und/oder
Verstärkerelemente trägt. Mit
anderen Worten, die Erfindung paßt gut für aktive Strahlungsmodule.
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Für gewisse
Anwendungen, die eine Zirkularpolarisation erfordern, kann man einen
Mäanderlinien-Polarisator
vor jedes strahlende Element anordnen, d. h. an der Seite seines
freien Randes.
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Für andere
Anwendungen, bei denen eine Vielzahl von Polarisationen notwendig
ist, kann man die strahlenden Elemente über Kreuz, entweder zwei an
jeder Position, oder indem man eine neben der anderen gekreuzt anordnet,
positionieren.
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Durch
eine passende Auswahl der Abmessungen, ist das strahlende Element
geeignet, ungefähr
zwischen 1 und 50 GHz zu funktionieren.