EP0489934A1 - Flat antenna - Google Patents

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EP0489934A1
EP0489934A1 EP91921023A EP91921023A EP0489934A1 EP 0489934 A1 EP0489934 A1 EP 0489934A1 EP 91921023 A EP91921023 A EP 91921023A EP 91921023 A EP91921023 A EP 91921023A EP 0489934 A1 EP0489934 A1 EP 0489934A1
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EP
European Patent Office
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layer
antenna
radiators
grating
wavelength
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EP91921023A
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German (de)
French (fr)
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EP0489934B1 (en
EP0489934A4 (en
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Nikolai Ivanovich Voitovich
Boris Mikhailovich Andronov
Jury Fedorovich Borodin
Vitaly Nikolaevich Voronoi
Boris Zakharovich Katsenelenbaum
Evgenia Nikolaevna Korshunova
Viktor Nikolaevich Kocheshev
Ljudas Iozovich Pangonis
Mikhail Leonidovich Pereyaslavets
Arkady Motelevich Rasin
Nikolai Nikolaevich Repin
Alexei Nikolaevich Sivov
Andrei Dmitrievich Chuprin
Alexandr Dmitrievich Shatrov
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NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT PO IZMERITELNOI TEKHNIKE
Original Assignee
NAUCHNO-ISSLEDOVATELSKY INSTITUT PO IZMERITELNOI TEKHNIKE
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Filing date
Publication date
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Publication of EP0489934A1 publication Critical patent/EP0489934A1/en
Publication of EP0489934A4 publication Critical patent/EP0489934A4/en
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    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00Antenna arrays or systems
    • H01Q21/06Arrays of individually energised antenna units similarly polarised and spaced apart
    • H01Q21/061Two dimensional planar arrays
    • H01Q21/064Two dimensional planar arrays using horn or slot aerials
    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q13/00Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/10Resonant slot antennas
    • H01Q13/18Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas

Definitions

  • the present invention relates to antenna technology and relates in particular to a surface antenna.
  • An antenna with a high amplification factor is required to receive signals from the satellites in the 12 GHz range.
  • Conventional mirror antennas meet this requirement.
  • the mirror antennas are quite extensive, their operating data deteriorate under the influence of rain, snow and wind.
  • the mast or any other attachment for antenna construction must be quite stiff and therefore quite extensive and heavy.
  • the exterior view of the mirror antenna does not match that of residential and public buildings.
  • the area antennas have a lower mass, the sail area depends to a smaller extent on the weather conditions.
  • the aesthetic correspondence of the area antennas with the exterior view of the residential and public buildings allows the former to be arranged on the walls of the buildings. Since the area antennas allow signal reception from a satellite to be realized through window glass, they can be set up directly in the apartments.
  • a flat antenna grating which consists of a shielding layer in the form of a plate made of conductive material and of a radiation layer arranged above the former, which contains printed cavity emitters and a feed circuit made of conductive material, and an insulating insert between these layers (Marata Takao Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception ", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12).
  • the square-shaped printed radiator has a galvanic contact with strips of the supply circuit.
  • the emitters are at a distance of 0.7 to 0.9 ⁇ , where ⁇ is the wavelength.
  • An antenna based on a cavity resonator which contains a housing with an insulating filler, to which a waveguide is connected.
  • Uniformly distributed rectangular coupling openings are provided on one of the housing walls, which are arranged in relation to a wave field excited within the housing in such a way that half waves of the same polarity (DE, A, 3530647) arise in these coupling openings.
  • the known antenna does not allow a predetermined operating frequency range to be realized, to ensure a sufficiently small side lobe level, and has large dimensions in the direction orthogonal to the radiating antenna opening.
  • a surface antenna for wave reception in the UHF range is known from a geostationary broadcasting satellite (US, A, 4851855) which contains a system of coplanar printed surface radiators which are located between two layers of synthetic resin. One of the surfaces of the radiator system is an antenna opening.
  • the antenna also contains a flat supply circuit, which is formed by strips of conductive material and is arranged between the two layers of synthetic resin, and a plan screen underneath. The system of the emitters and the feed circuit, the feed circuit and the screen are separated from one another by intermediate layers.
  • the intermediate layers are executed in the antenna mentioned in the form of a frame made of metal, synthetic resin or wood.
  • the antenna feed network represents a suspended symmetrical stripline.
  • stripline By using the stripline, veluste can be avoided in the known antenna, which are caused by direct radiation from the conductors of the supply circuit, the radiation due to wave diffraction at T-branches, impedance transformers and from microstrip bends. Heat losses in the stripline dielectric are also reduced.
  • the known antenna also has high heat losses in the inner conductor and the shielding of the stripline due to the large extent of the strip, a large number of binary power dividers, impedance transformers and line bends.
  • a surface antenna in the form of a multilayer structure is known, which is characterized by a shielding layer conductive material, a layer with a strip feed circuit and a radiation layer in the form of a plate with slot radiators is formed, which are electromagnetically coupled to the respective strips of the feed circuit.
  • the layers mentioned are separated from one another by intermediate layers of insulating material.
  • a transition is connected to the shielding layer and the strips of the feed circuit.
  • a galvanic coupling of the conductors of the layers with the supply circuit and the slot radiators is missing (Hirofumi Ishizaki "Sguare Antennas Edge Jinto BS Antenna Market” - JEI, 1990, Vol. 37, N 8, series N 432, pp. 63 to 64).
  • the antenna works as follows in transmission mode.
  • the signal from the transmitter is given to the input of the transition and further fed to the slot radiators via the feed circuit.
  • the slots are excited by the field of an electromagnetic wave that propagates along the stripline.
  • the known antenna also has high heat losses in the stripline and the shielding thereof due to a large expansion of the feed line, a large number of binary power dividers, impedance transformers, line elbows, and a large drop in power along the line, which cannot be reduced.
  • wave losses along the stripline with a good dielectric as filler for the line contribute to heat losses in the conductors - in the strip and the shielding of the line.
  • the invention has for its object to provide a surface antenna with such a design that allows a high directional factor in the receive wave range with a reduction in losses in the feed circuit of the antenna by reducing the number of slot radiators by using resonators with a to ensure partially permeable surface.
  • the surface antenna in the form of a multi-layer structure the shielding layer separated from one another by insulating material layers of conductive material, layer with a strip feed circuit and radiation layer in the form of a plate with slot radiators, which are electromagnetically coupled to the respective strips of the feed circuit are formed and contains a transition connected to the shielding layer and the strips of the supply circuit
  • the invention additionally contains a grating with cavity cells and a layer arranged thereon, which is partially permeable to the reception wave range, the grating surface being made of conductive material and the grating on a Radiation layer plate forming a cavity through each of its cells is arranged, in which at least one slot radiator is arranged, the width and length of each cell exceeding the mean wavelength and the height of which deviates from half the mean wavelength by about 0.02 to 0.07 of the wavelength.
  • the introduction of the resonator grating into the surface antenna allows the number of slot radiators to be significantly reduced while maintaining the directional factor of the surface antenna by transforming the field of the radiator in the field of the natural oscillation of the resonator, thereby eliminating the possibility of secondary diffraction maxima appearing in the directional diagram.
  • the reduction in the number of radiators makes it possible to simplify the supply circuit and to keep the losses in it lower.
  • the partially transparent layer is made in the form of a plate made of conductive material with coupling openings, the grating height having to be below half a medium wavelength.
  • the plate made of conductive material with the coupling openings as a partially permeable layer allows this layer to be produced by stamping.
  • the partially permeable layer prefferably be in the form of an insulating film with electrically insulated metal plates attached to it on both sides, the grating height having to be above half a medium wavelength.
  • the use of the insulating foil with the metal plates allows the semi-permeable layer to be produced using a printing technique.
  • the surface antenna is manufactured in such a way that the width and length of each cell is ⁇ 4 ⁇ , where ⁇ is the wavelength, while the number of slot radiators in each cell is two and they are parallel to a wall of the Cell at intervals lie from this, which each make 1/4 and 3/4 of the length of the wall orthogonal to the slots.
  • the surface antenna is designed in such a way that in each grid cell there are additionally two slot radiators which are parallel to one another and orthogonal to the main slot radiators at intervals which are 1/4 or 3/4 of the length of the Slits are orthogonal wall, the lengths of the strips corresponding to each pair of the orthogonally arranged radiators should differ from one another by 1/4 ⁇ .
  • the antenna contains a shielding layer 1 (FIG. 1), a layer 2 with strips 3 of a feed circuit made of conductive material, a radiation layer 4, which is a conductive plate with a system of slot radiators 5, 6, intermediate layers 7 and 8, a grid 9 with Cavity cells 10, a partially permeable layer 11 with coupling openings 12, a cladding 13, if necessary a coaxial strip or a strip-waveguide transition 14.
  • a shielding layer 1 (FIG. 1)
  • a layer 2 with strips 3 of a feed circuit made of conductive material a radiation layer 4, which is a conductive plate with a system of slot radiators 5, 6, intermediate layers 7 and 8, a grid 9 with Cavity cells 10, a partially permeable layer 11 with coupling openings 12, a cladding 13, if necessary a coaxial strip or a strip-waveguide transition 14.
  • the shielding layer 1 is made of aluminum, copper, silver or other material with high electrical conductivity. To protect the conductive shielding layer 1 from corrosion, its surface can be covered with a 5 to 20 ⁇ m thick dielectric layer.
  • Layer 2 is produced in the form of a three-plate construction, which ensures corrosion protection for the conductors of the supply circuit.
  • the layer 4 is also produced in the form of a three-plate construction, the upper side of the conductive plate with the system of slot radiators 5, 6 being covered with a plastic film after the plate has been soldered or glued to the grid 9.
  • the intermediate layers 7, 8 are made of foam polystyrene or another dielectric with a low dielectric loss factor.
  • the grid 9 and the partially permeable layer 11 are made of a highly conductive material such as aluminum, copper, silver or a material similar in terms of electrical conductivity.
  • the grid 9 is made either of a dielectric with a metal coating applied thereon or of a highly conductive material.
  • the layer 11 is produced in the form of a metal plate which is perforated by round or square openings 12.
  • the layer 11 (FIG. 2) is produced in the form of an insulating film with electrically insulated metal plates 15 attached to its two sides.
  • the conductive plate of layer 4 After assembly of the antenna, the conductive plate of layer 4, the grating 9 and the layer 11 are galvanically contacted with one another over the entire line of contact.
  • the galvanic coupling is achieved either by soldering or gluing using a conductive adhesive.
  • the conductive plate of the layer 4 together with the cells 10 of the grating 9 and the layer 11 forms nxm cavity resonators with a partially permeable surface, where n and m represent the numbers of the resonators in the direction of the axes x and y of a right-angled coordinate system in the plane of the antenna opening.
  • the length and the width of the cells 10 are selected in the order of a few wavelengths depending on the predetermined operating frequency range, for example 4 ⁇ x 4 ⁇ .
  • the height of the grating 9 is chosen from the requirement that the sum of the height of the grating 9 and half the thickness of the layer 11 deviate from the half wavelength by a size which is proportional to the square root of the relative frequency range, for example by a size of 0.02 to 0.07 of the wavelength.
  • the choice of the number nxm of the resonators is realized on the condition of securing a predetermined antenna amplification factor.
  • the surface antenna according to the invention works as follows.
  • the signal from the transmitter (not shown in FIG.) Is applied to the input of the coaxial strip transition 14 (FIG. 1) and is subsequently fed to the slot radiators 5, 6 via the strips 3 of the feed circuit.
  • the slits are excited by the field of the electromagnetic wave that propagates along the stripline. Furthermore, the cavity resonators are excited by the slots, whereupon the electromagnetic energy is emitted through the layer 11.
  • the field structure in the resonator with a partially permeable wall strives asymptotically towards the field structure in the closed resonator with increasing quality.
  • the amplitudes of the higher vibrations are small compared to the amplitude of the fundamental vibration due to the filter properties of the resonator.
  • the antenna forms a directional diagram with a radiation maximum in the normal direction to the opening, while the radiation field has circular polarization.
  • the inventive antenna grating nonetheless has no secondary diffraction maxima.
  • the additional introduction of the grating 9 and the layer 11 converts the antenna in the form of a grating of discrete radiators into an aperture antenna, in the opening of which the field strength is constant in the direction of one coordinate and in the direction of the other within the limits of each resonator after the cosine law changes.
  • the field distribution mentioned in the antenna opening ensures suppression of secondary interference maxima, which would occur at larger distances in the grating.
  • the value of the longitudinal attenuation of the wave in the line decreases.
  • the reduction in the number of circuit elements, the use of the gradual transitions make it possible to achieve a better adaptation in the circuit, which reduces the line losses which are due to multiple wave reflections from the inhomogeneities of the circuit.
  • the reduction the line length in the supply circuit reduces the line losses.
  • the antenna according to the invention has a higher frequency selectivity compared to the known flat antenna grids than the radiation elements of which slots, microstrip lines with bends, dipoles, microstrip emitters, horn radiators are used.
  • the interference with signal reception from the satellite is reduced for a direct television broadcast outside the working frequency band.
  • the proposed antenna offers an advantage in comparison to the mirror antennas currently used for systems for direct television broadcasting in terms of a constructive and aesthetic correspondence with the interior of the apartments, with the exterior view of the residential and public buildings, has a much smaller dimension in Wave beam direction.
  • the plate of the layer 4 has two rows of the two radiators 5 and 6 in each row of orthogonally arranged slots, as shown in FIG. 3 is on.
  • the internal dimensions of the cell 10 of the grid 9 are equal to 95x95 mm.
  • the slots are located in points with the coordinates A (-47.5; 0); B (47.5, 0); C (0; 47.5); D (0; -47.5).
  • the wall height of the grid 9 is 11.7 mm.
  • the layer 11 is 1 mm thick by punching Copper plate with the formation of square openings 12 measuring 7.5x7.5 mm.
  • the hole spacing in the direction of the two coordinates is 11.5 mm.
  • the supply circuit is based on a symmetrical stripline.
  • the width of the strip 3 is 3.8 mm, the thickness 0.018 mm.
  • the height of the stripline is 3 mm.
  • the intermediate layers 7 and 8 are made of foam polystyrene.
  • the dielectric constant of the foam polystyrene is 1.13 and its dielectric loss factor is 5 ⁇ 10 ⁇ 5.
  • the feed circuit is constructed in such a way that the magnetic fluxes in the slot radiators 5, 6 of each row are in phase and are 90 ° out of phase with the flows of the orthogonal row.
  • the signal reaches the antenna through the stripe-coaxial transition 14.
  • Fig. 4 there are graphs showing the measured distribution law for a tangent component of the strength of the electric field E ⁇ illustrate in the antenna aperture.
  • the measurements are at a distance of 4/5 for the antenna aperture on a frequency of 11.7 GHz.
  • the dependency of the antenna gain factor K on the frequency F is given according to the experimentally determined measurement data.
  • the aluminum grating 9 has 4x4 cells 10.
  • the internal dimensions of the cells 10 are equal to 95x95 mm.
  • the wall height of the grid 9 is 11.7 mm.
  • Two systems of the orthogonally arranged slot radiators 5 and 6 are accommodated on the plate of layer 4. Are in every system the slots are arranged in four rows to eight parallel slots of the radiators 5 or 6 in the row.
  • the layer 11 is made of an aluminum sheet 1 mm thick by perforating it to form square openings 12 of dimensions 7.5x7.5 mm.
  • the grid 9, the layer 11 and the conductive plate of the layer 4 together form sixteen cavity resonators with a partially permeable surface.
  • the arrangement of the slots on the surface of each resonator is identical to the arrangement of the slots in the first antenna.
  • the strip line of the feed circuit has the same dimensions in cross section as the line of the first antenna.
  • the signal reaches the antenna through a strip-waveguide transition 14.
  • the antenna cladding 13 is made of foam polystyrene with a density of 0.6 g / cm3.
  • the external dimensions of the antenna (without taking into account the dimensions of the coaxial strip transition) are 400x400x24 mm.
  • the antenna weight is equal to 2.7 kg.
  • the dependence of the amplification factor K of the second antenna on the frequency F is indicated on the basis of the measurement data in FIG. 10.
  • the ellipticity factor at the maximum of the directional diagram in the frequency range from 11.7 to 12.2 GHz is not worse than 1 dB.
  • the invention can be successfully used in systems for satellite and ground connection, in satellite television systems, in particular as an antenna for direct signal reception in satellite television in the 12 GHz range.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)

Abstract

A flat antenna has a multilayer structure consisting of a screening layer (1) of an electroconductive material, a layer (2) with a strip-type power supply and a radiation layer (4) consisting of a plate with slot-type radiators (5, 6) electro-magnetically connected to the corresponding strips (3) of the power supply circuit, all the layers being mutually separated by means of dielectric spacers (7, 8). The antenna contains a grid (9) of three-dimensional cells (10) and carries a layer (11) partially transparent to the frequency band of the received waves. The surface of the grid (9) is made of an electroconductive material and the grid (9) is located on the plate with the radiation layer so as to form, by means of each of its cells (10), a three-dimensional resonator in which is located at least one slot-type radiator (5 or 6). The length and the width of each cell (10) exceed the average wave length ( lambda ), and its height differs from half the average wave length ( lambda ) by a value of approximately 0.02-0.07 of the wave length ( lambda ). The antenna comprises also an adapter (14) connected to the screening layer (1) and to the strips (3) of the power supply.

Description

Technisches GebietTechnical field

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf die Antennentechnik und betrifft insbesondere eine Flächenantenne.The present invention relates to antenna technology and relates in particular to a surface antenna.

Zugrundeliegender Stand der TechnikUnderlying state of the art

Zum Signalempfang von den Satelliten im 12-GHz-Bereich ist eine Antenne mit einem hohen Verstärkungsfaktor erforderlich. Derartiger Forderung genügen herkömmliche Spiegelantennen. Die Spiegelantennen sind aber recht umfangreich, ihre Betriebsdaten verschlechtern sich unter Einwirken von Regen, Schnee und Wind. Wegen einer grossen Segelfläche der Spiegelantenne, durch die hohe Windlasten bedingt sind, muss der Mast oder irgendeine andere Befestigung zum Antennenbau recht steif und also recht umfangreich und schwer sein. Die Aussenansicht der Spiegelantenne stimmt mit der von Wohn- und öffentlichen Gebäuden nicht überein. Diese Faktoren machten die Entwicklung von Flächenantennen notwendig.An antenna with a high amplification factor is required to receive signals from the satellites in the 12 GHz range. Conventional mirror antennas meet this requirement. However, the mirror antennas are quite extensive, their operating data deteriorate under the influence of rain, snow and wind. Because of the large sail area of the mirror antenna, which causes high wind loads, the mast or any other attachment for antenna construction must be quite stiff and therefore quite extensive and heavy. The exterior view of the mirror antenna does not match that of residential and public buildings. These factors made the development of surface antennas necessary.

Die Flächenantennen haben eine geringere Masse, Segelfläche hängen in kleinerem Masse von den Witterungsverhältnissen ab. Die ästhetische Übereinstimmung der Flächenantennen mit der Aussenansicht der Wohn- und öffentlichen Gebäude gestattet es,die ersteren an den Wänden der Gebäude anzuordnen. Da die Flächenantennen es erlauben, dem Signalempfang von einem Satelliten durch Fensterglas zu verwirklichen, so können sie unmittelbar in den Wohnungen aufgestellt werden.The area antennas have a lower mass, the sail area depends to a smaller extent on the weather conditions. The aesthetic correspondence of the area antennas with the exterior view of the residential and public buildings allows the former to be arranged on the walls of the buildings. Since the area antennas allow signal reception from a satellite to be realized through window glass, they can be set up directly in the apartments.

Es ist ein flaches Antennengitter bekannt, das sich aus einer Abschirmschicht in Form einer Platte aus leitendem Material und aus einer über der erstgenannten angeordneten Strahlungsschicht, die gedruckte Hohlraumstrahler und eine Speiseschaltung aus leitendem Material enthält, sowie einer Isoliereinlage zwischen diesen Schichten (Marata Takao Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12) zusammensetzt. Der gedruckte Hohlraumstrahler in quadratischer Form weist einen galvanischen Kontakt mit Streifen der Speiseschaltung auf. Um sekundäre Beugungsmaxima im Richtdiagramm zu eliminieren, liegen die Strahler voneinander in einem 0,7 bis 0,9λ betragenden Abstand, wobei λ die Wellenlänge ist.A flat antenna grating is known which consists of a shielding layer in the form of a plate made of conductive material and of a radiation layer arranged above the former, which contains printed cavity emitters and a feed circuit made of conductive material, and an insulating insert between these layers (Marata Takao Ohmaru Kenji "A flat panel antenna with two-layer structure for satellite broadcasting reception ", NHK Lab. Note - 1989 - N 374, p. 1-12). The square-shaped printed radiator has a galvanic contact with strips of the supply circuit. In order to achieve secondary diffraction maxima in the To eliminate the directional diagram, the emitters are at a distance of 0.7 to 0.9λ, where λ is the wavelength.

Derartiges Antennengitter weist aber hohe Verluste auf, die durch

  • unmittelbare Strahlung der Leiter der Speiseschaltung,
  • Strahlung infolge einer Wellenbeugung an T-Verzweigungen, Impedanztransformatoren und Krümmern einer Mikrostreifenleitung,
  • Streuung der Oberflächenwelle, die sich längs der Grenze Isoliersubstrat-Luft fortpflanzt, an Schichtinhomogenitäten und Antennenkanten,
  • Wärmeverluste im Dielektrikum der Schicht und der Einlage der Mikrostreifenleitung,
  • Wärmeverluste in den Streifen und der Abschirmung der Mikrostreifenleitung bedingt sind.
Such antenna grating has high losses due to
  • direct radiation from the supply circuit conductors,
  • Radiation due to wave diffraction at T-branches, impedance transformers and bends of a microstrip line,
  • Scattering of the surface wave that propagates along the insulating substrate-air boundary, at layer inhomogeneities and antenna edges,
  • Heat losses in the dielectric of the layer and the insert of the microstrip line,
  • Heat losses in the strips and the shielding of the microstrip line are caused.

Es ist eine Antenne auf der Basis eines Hohlraumresonators bekannt, die ein Gehäuse mit einem Isolier-Füllstoff enthält, an welches ein Wellenleiter angeschlossen ist. An einer der Gehäusewände sind gleichmässig verteilte rechteckförmige Koppelöffnungen vorgesehen, die in Bezug auf ein innerhalb des Gehäuses erregtes Wellenfeld derart angeordnet sind, dass in diesen Koppelöffnungen Halbwellen gleicher Polarität (DE, A, 3530647) entstehen.An antenna based on a cavity resonator is known, which contains a housing with an insulating filler, to which a waveguide is connected. Uniformly distributed rectangular coupling openings are provided on one of the housing walls, which are arranged in relation to a wave field excited within the housing in such a way that half waves of the same polarity (DE, A, 3530647) arise in these coupling openings.

Zur Anpassung der Impedanz des Wellenleiters an das Gehäuse ragt er in das Gehäuse um einiges hinein. Darüber hinaus kann zwischen dem Wellenleiter und dem Gehäuse ein Wellentypfilter liegen, das von einer Seite die Form eines flachen Hohlkörpers aufweist, der unmittelbar in das Gehäuse übergeht. Die bekannte Antenne gestattet es aber nicht, einen vorgegebenen Betriebsfrequenzbereich zu realisieren, einen genügend kleinen Seitenzipfelpegel zu sichern, weist grosse Abmessungen in Richtung orthogonal zur strahlenden Antennenöffnung auf.In order to adapt the impedance of the waveguide to the housing, it protrudes a lot into the housing. In addition, there can be a wave type filter between the waveguide and the housing, which has the shape of a side has flat hollow body which merges directly into the housing. However, the known antenna does not allow a predetermined operating frequency range to be realized, to ensure a sufficiently small side lobe level, and has large dimensions in the direction orthogonal to the radiating antenna opening.

Es ist eine Flächenantenne zum Wellenempfang in UHF-Bereich Von einem geostationären Rundfunksatelliten (US, A, 4851855) bekannt, die ein System komplanarer gedruckter Flächenstrahler enthält, die zwischen zwei Schichten aus Kunstharz liegen. Eine der Flächen des Systems der Strahler stellt eine Antennenöffnung dar. Die Antenne enthält auch eine flache Speiseschaltung, die durch Streifen aus leitendem Material gebildet und zwischen den zwei Schichten aus Kunstharz angeordnet ist, sowie einen darunter liegenden Planschirm. Das System der Strahler und die Speiseschaltung, die Speiseschaltung und der Schirm sind voneinander durch Zwischenlagen abgetrennt.A surface antenna for wave reception in the UHF range is known from a geostationary broadcasting satellite (US, A, 4851855) which contains a system of coplanar printed surface radiators which are located between two layers of synthetic resin. One of the surfaces of the radiator system is an antenna opening. The antenna also contains a flat supply circuit, which is formed by strips of conductive material and is arranged between the two layers of synthetic resin, and a plan screen underneath. The system of the emitters and the feed circuit, the feed circuit and the screen are separated from one another by intermediate layers.

Die Zwischenlagen sind in der genannten Antenne in Form eines Rahmens aus Metall, Kunstharz oder Holz ausgeführt. Das Speisenetz der Antenne stellt eine aufgehängte symmetrische Streifenleitung dar.The intermediate layers are executed in the antenna mentioned in the form of a frame made of metal, synthetic resin or wood. The antenna feed network represents a suspended symmetrical stripline.

Durch Verwendung der Streifenleitung lassen sich in der bekannten Antenne Veluste vermeiden, die durch eine unmittelbare Strahlung der Leiter der Speiseschaltung, die Strahlung infolge einer Wellenbeugung an T-Verzweigungen, Impedanztransformatoren und an Mikrostreifenleitungskrümmern bedingt sind. Es sind auch Wärmeverluste im Dielektrikum der Streifenleitung verringert.By using the stripline, veluste can be avoided in the known antenna, which are caused by direct radiation from the conductors of the supply circuit, the radiation due to wave diffraction at T-branches, impedance transformers and from microstrip bends. Heat losses in the stripline dielectric are also reduced.

Die bekannte Antenne weist aber auch hohe Wärmeverluste im Innenleiter und dar Abschirmung der Streifenleitung infolge einer grossen Ausdehnung der Streifen, einer grossen Anzahl von binären Leistungsteilern, Impedanztransformatoren, Leitungskrümmern auf.However, the known antenna also has high heat losses in the inner conductor and the shielding of the stripline due to the large extent of the strip, a large number of binary power dividers, impedance transformers and line bends.

Es ist eine Flächenantenne in Form einer Mehrschichtstruktur bekannt, die durch eine Abschirmschicht aus leitendem Material, eine Schicht mit einer Streifen-Speiseschaltung und eine Strahlungsschicht in Form einer Platte mit Schlitzstrahlern gebildet ist, die mit den jeweiligen Streifen der Speiseschaltung elektromagnetisch gekoppelt sind. Die genannten Schichten sind gegeneinander durch Isolierstoffzwischenlagen abgetrennt. Mit der Abschirmschicht und den Streifen der Speiseschaltung ist ein Übergang verbunden. Eine galvanische Kopplung der Leiter der Schichten mit der Speiseschaltung und den Schlitzstrahlern fehlt (Hirofumi Ishizaki "Sguare Antennas Edge Jinto BS Antenna Market" - JEI, 1990, Vol. 37, N 8, Folge N 432, pp. 63 bis 64).A surface antenna in the form of a multilayer structure is known, which is characterized by a shielding layer conductive material, a layer with a strip feed circuit and a radiation layer in the form of a plate with slot radiators is formed, which are electromagnetically coupled to the respective strips of the feed circuit. The layers mentioned are separated from one another by intermediate layers of insulating material. A transition is connected to the shielding layer and the strips of the feed circuit. A galvanic coupling of the conductors of the layers with the supply circuit and the slot radiators is missing (Hirofumi Ishizaki "Sguare Antennas Edge Jinto BS Antenna Market" - JEI, 1990, Vol. 37, N 8, series N 432, pp. 63 to 64).

Im Sendebetrieb arbeitet die Antenne folgenderweise.The antenna works as follows in transmission mode.

Das Signal vom Sender wird auf den Eingang des Überganges gegeben und ferner über die Speiseschaltung den Schlitzstrahlern zugeführt. Die Schlitze werden durch das Feld einer elektromagnetischen Welle angeregt, die sich längs der Streifenleitung ausbreitet.The signal from the transmitter is given to the input of the transition and further fed to the slot radiators via the feed circuit. The slots are excited by the field of an electromagnetic wave that propagates along the stripline.

Die bekannte Antenne weist auch hohe Wärmeverluste in der Streifenleitung und der Abschirmung derselben infolge einer grossen Ausdehnung der Speiseleitung, einer grossen Anzahl von binären Leistungsteilern, Impedanztransformatoren, Leitungskrümmern, eines starken Leistungsabfalls längs der Leitung, der nicht geringer zu halten ist, auf.The known antenna also has high heat losses in the stripline and the shielding thereof due to a large expansion of the feed line, a large number of binary power dividers, impedance transformers, line elbows, and a large drop in power along the line, which cannot be reduced.

Hauptsächlich tragen im 12-GHz-Bereich zur Wellendämpfung längs der Streifenleitung mit einem guten Dielektrikum als Füllstoff der Leitung Wärmeverluste in den Leitern - im Streifen und der Abschirmung der Leitung - bei.Mainly in the 12 GHz range, wave losses along the stripline with a good dielectric as filler for the line contribute to heat losses in the conductors - in the strip and the shielding of the line.

Die Leitungsverluste nehmen mit der Verschlechterung der Anpassung im Speisenetz zu, während die Anpassung im wesentlichen von der Anzahl der Schlitzstrahler abhängt, weil mit der Zunahme der Anzahl derselben im Antennengitter die Anzahl der binären Leistungsteiler, Impedanztransformatoren, Leitungskrümmer vergrössert wird. So weist beispielsweise ein 2M = 256 Strahler zählendes Gitter eine Zahl M = 9 binäre Leistungsteilungen in einer Antenne mit eines Linearpolarisation und M + 1 = 10 Teiler auf dem Wege vom Antenneneingang bis zum Strahler einer Zirkularpolarisation auf. Im Zusammenhang mit einer hohen Dichte der Strahler im Gitter werden die Leitungskrümmer rechteckförmig ausgeführt.The line losses increase with the deterioration of the adaptation in the feed network, while the adaptation essentially depends on the number of slot radiators, because with the increase in the number of these in the antenna grid, the number of binary power dividers, impedance transformers, line elbows is increased. So For example, a 2 M = 256 radiator grid has a number M = 9 binary power divisions in an antenna with a linear polarization and M + 1 = 10 dividers on the way from the antenna input to the radiator with a circular polarization. In connection with the high density of the radiators in the grille, the elbows are made rectangular.

Eine grosse Anzahl der Elemente der Speiseleitung im Gitter, scharfe Knicke der Streifenleitung verschlechtern die Leitungsanpassung und bewirken infolgedessen eine Erhöhung von Antennenverlusten.A large number of the elements of the feed line in the grid, sharp kinks in the strip line deteriorate the line adaptation and consequently cause an increase in antenna losses.

Offenbarung der ErfindungDisclosure of the invention

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Flächenantenne mit derartiger konstruktiver Ausführung zu schaffen, die es gestattet, einen hohen Richtfaktor im Empfangswellenbereich bei einer Verringerung von Verlusten in der Speiseschaltung der Antenne durch Verkleinerung der Anzahl von Schlitzstrahlern auf dem Wege der Verwendung von Resonatoren mit einer teildurchlässigen Fläche zu gewährleisten.The invention has for its object to provide a surface antenna with such a design that allows a high directional factor in the receive wave range with a reduction in losses in the feed circuit of the antenna by reducing the number of slot radiators by using resonators with a to ensure partially permeable surface.

Die gestellte Aufgabe wird dadurch gelöst, dass die Flächenantenne in Form einer Mehrschichtstruktur, die durch voneinander durch Isolierstoffzwischenlagen abgetrennte Abschirmschicht aus leitendem Material, Schicht mit einer Streifen-Speiseschaltang und Strahlungsschicht in Form einer Platte mit Schlitzstrahlern, die mit den jeweiligen Streifen der Speiseschaltung elektromagnetisch gekoppelt sind, gebildet ist und einen mit der Abschirmschicht und den Streifen der Speiseschaltung verbundenen Übergang enthält, gemäss der Erfindung zusätzlich ein Gitter mit Hohlraumraumzellen und eine darüber angeordnete, für den Empfangswellenbereich teildurchlässige Schicht enthält, wobei die Gitterfläche aus leitendem Material ausgeführt und das Gitter auf einer Strahlungsschichtplatte unter Bildung eines Hohlraumresonators durch jede seiner Zellen angeordnet ist, in dem mindestens ein Schlitzstrahler angeordnet ist, wobei die Breite und Länge jeder Zelle die mittlere Wellenlänge überschreitet und deren Höhe von der halben mittleren Wellenlänge um eine Grösse von ca. 0,02 bis 0,07 der Wellenlänge abweicht.The object is achieved in that the surface antenna in the form of a multi-layer structure, the shielding layer separated from one another by insulating material layers of conductive material, layer with a strip feed circuit and radiation layer in the form of a plate with slot radiators, which are electromagnetically coupled to the respective strips of the feed circuit are formed and contains a transition connected to the shielding layer and the strips of the supply circuit, according to the invention additionally contains a grating with cavity cells and a layer arranged thereon, which is partially permeable to the reception wave range, the grating surface being made of conductive material and the grating on a Radiation layer plate forming a cavity through each of its cells is arranged, in which at least one slot radiator is arranged, the width and length of each cell exceeding the mean wavelength and the height of which deviates from half the mean wavelength by about 0.02 to 0.07 of the wavelength.

Die Einführung des Resonatorgitters in die Flächenantenne erlaubt es, die Anzahl der Schlitzstrahler unter Beibehaltung des Richtfaktors der Flächenantenne durch Transformation des Feldes des Strahlers im Feld der Eigenschwingung des Resonators wesentlich zu verkleinern, wodurch die Möglichkeit der Erscheinung sekundärer Beugungsmaxima im Richtdiagramm ausgeschlossen wird. Die Verringerung der Anzahl der Strahler gestattet es, die Speiseschaltung zu vereinfachen und die Verluste in dieser geringer zu halten.The introduction of the resonator grating into the surface antenna allows the number of slot radiators to be significantly reduced while maintaining the directional factor of the surface antenna by transforming the field of the radiator in the field of the natural oscillation of the resonator, thereby eliminating the possibility of secondary diffraction maxima appearing in the directional diagram. The reduction in the number of radiators makes it possible to simplify the supply circuit and to keep the losses in it lower.

Es ist zwekmässig, dass die teildurchlässige Schicht in Form einer Platte aus leitendem Material mit Koppelöffnungen hergestellt ist, wobei die Gitterhöhe unterhalb einer halben mittleren Wellenlänge liegen muss.It is imperative that the partially transparent layer is made in the form of a plate made of conductive material with coupling openings, the grating height having to be below half a medium wavelength.

Die Benutzung der Platte aus leitendem Material mit den Koppelöffnungen als teildurchlässige Schicht gestattet es, diese Schicht durch Stanzen zu erzeugen.The use of the plate made of conductive material with the coupling openings as a partially permeable layer allows this layer to be produced by stamping.

Es ist auch zweckmässig, dass die teildurchlässige Schicht in Form einer Isolierfolie mit darauf beiderseits angebrachten elektrisch isolierten Metallplatten ausgeführt ist, wobei die Gitterhöhe oberhalb einer halben mittleren Wellenlänge liegen muss.It is also expedient for the partially permeable layer to be in the form of an insulating film with electrically insulated metal plates attached to it on both sides, the grating height having to be above half a medium wavelength.

Die Anwendung der Isolierfolie mit den Metallplatten gestattet es, die teildurchlässige Schicht mit Hilfe einer Drucktechnik herzustellen.The use of the insulating foil with the metal plates allows the semi-permeable layer to be produced using a printing technique.

Zweckmässig ist es auch, dass die Flächenantenne in der Weise hergestellt ist, dass die Breite und Länge jeder Zelle ≧ 4 λ ist, wobei λ die Wellenlänge ist, während die Anzahl der Schlitzstrahler in jeder Zelle gleich zwei ist und sie parallel zu einer Wand der Zelle in Abständen von dieser liegen, die jeweils 1/4 und 3/4 der Länge der zu den Schlitzen orthogonalen Wand ausmachen.It is also expedient that the surface antenna is manufactured in such a way that the width and length of each cell is ≧ 4 λ, where λ is the wavelength, while the number of slot radiators in each cell is two and they are parallel to a wall of the Cell at intervals lie from this, which each make 1/4 and 3/4 of the length of the wall orthogonal to the slots.

Die Benutzung von zwei im Resonator in der genannten Weise angeordneten Schlitzstrahlerngestattet es, den Betriebsfrequenzbereich der Antenne zu erweitern, denn derartige Anordnung schliesst die Erregung der nächsten Störschwingung im Resonator und eine ihr entsprechende Verzerrung des Richtdiagramms aus.The use of two slot radiators arranged in the resonator in the manner mentioned makes it possible to expand the operating frequency range of the antenna, since such an arrangement excludes the excitation of the next interference oscillation in the resonator and a corresponding distortion of the directional diagram.

Es ist auch zweckmässig, dass die Flächenantenne derartig ausgeführt ist, dass in jeder Gitterzelle zusätzlich zwei Schlitzstrahler ausgeführt sind, die parallel zueinander und orthogonal zu den Haupt-Schlitzstrahlern in Abständen liegen, die 1/4 bzw. 3/4 der Länge der zu den Schlitzen orthogonalen Wand betragen, wobei sich die Längen der jedem Paar der orthogonal angeordneten Strahler entsprechenden Streifen voneinander um 1/4 λ unterscheiden sollen.It is also expedient that the surface antenna is designed in such a way that in each grid cell there are additionally two slot radiators which are parallel to one another and orthogonal to the main slot radiators at intervals which are 1/4 or 3/4 of the length of the Slits are orthogonal wall, the lengths of the strips corresponding to each pair of the orthogonally arranged radiators should differ from one another by 1/4 λ.

Die Verwendung von vier Schlitzstrahlern im Resonator, die in der genannten Weise angeordnet und gespeist werden, ermöglicht die Wellenausstrahlung oder den Wellenempfang mit einer Zirkularpolarisation des Feldes im Betriebsfrequenzbereich.The use of four slot radiators in the resonator, which are arranged and fed in the manner mentioned, enables wave radiation or wave reception with a circular polarization of the field in the operating frequency range.

Kurze Beschreibung der ZeichnungenBrief description of the drawings

Die vorliegende Erfindung wird nachstehend an deren konkreten Ausführungsbeispielen anhand der beigelegten Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt:

  • Fig. 1 eine dreidimensionale Ansicht der Hauptteile einer auseinandergenommenen erfindungsgemässen Flächenantenne;
  • Fig. 2 eine erfindungsgemässe Ausführungsform einer teildurchlässigen Schicht;
  • Fig. 3 eine Anordnung von erfindungsgemässen Schlitzstrahlern auf einer Strahlungsschichtplatte;
  • Fig. 4 eine grafische Darstellung eines zweidimensionalen Verteilunsgesetzes für eine tangente Komponente der Stärke eines elektrischen Feldes anhand der Messangaben bei einem Abstand 4/5 λ von der Antennenapertur;
  • Fig. 5 ein experimentelles Richtdiagramm der ersten Ausführungsform der Antenne in der Ebene eines Vektors E;
  • Fig. 6 ein experimentelles Richtdiagramm der ersten Ausführungsform der Antenne in der Ebene eines Vektors H;
  • Fig. 7 eine grafische Darstellung der Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors der ersten Ausführungsform der Antenne von der Frequenz;
  • Fig. 8 ein experimentelles Richtdiagramm der zweiten Ausführungsform der Antenne in der Ebene des Vektors E;
  • Fig. 9 ein experimentelles Richtdiagramm der zweiten Ausführungsform der Antenne in der Ebene des Vektors H;
  • Fig. 10 eine grafische Darstellung der Frequenzabhängigkeit des Antennenverstärkungsfaktors in der zweiten Ausführungsform.
The present invention is explained in more detail below on the basis of the specific exemplary embodiments thereof with reference to the accompanying drawings. It shows:
  • 1 shows a three-dimensional view of the main parts of a disassembled surface antenna according to the invention;
  • 2 shows an embodiment according to the invention of a partially permeable layer;
  • 3 shows an arrangement of slot radiators according to the invention on a radiation layer plate;
  • 4 shows a graphic representation of a two-dimensional distribution law for a tangent component of the strength of an electric field on the basis of the measurement data at a distance of 4/5 λ from the antenna aperture;
  • 5 shows an experimental directional diagram of the first embodiment of the antenna in the plane of a vector E;
  • 6 shows an experimental directional diagram of the first embodiment of the antenna in the plane of a vector H;
  • 7 shows a graphical representation of the dependence of the amplification factor of the first embodiment of the antenna on the frequency;
  • 8 shows an experimental directional diagram of the second embodiment of the antenna in the plane of the vector E;
  • 9 shows an experimental directional diagram of the second embodiment of the antenna in the plane of the vector H;
  • 10 is a graphical representation of the frequency dependence of the antenna gain factor in the second embodiment.

Beste Ausführungsform der ErfindungBest embodiment of the invention

Die Antenne enthält eine Abschirmschicht 1 (Fig. 1), eine Schicht 2 mit Streifen 3 einer Speiseschaltung aus leitendem Material, eine Strahlungsschicht 4, die eine leitende Platte mit einem System von Schlitzstrahlern 5, 6, Zwischenlagen 7 und 8, ein Gitter 9 mit Hohlraumzellen 10, eine teildurchlässige Schicht 11 mit Koppelöffnungen 12, eine Verkleidung 13, nötigenfalls einen Koaxial-Streifen- oder einen Streifen-Wellenleiter-Übergang 14 beinhaltet.The antenna contains a shielding layer 1 (FIG. 1), a layer 2 with strips 3 of a feed circuit made of conductive material, a radiation layer 4, which is a conductive plate with a system of slot radiators 5, 6, intermediate layers 7 and 8, a grid 9 with Cavity cells 10, a partially permeable layer 11 with coupling openings 12, a cladding 13, if necessary a coaxial strip or a strip-waveguide transition 14.

Die Abschirmschicht 1 wird aus Aluminium, Kupfer, Silber oder anderem Material mit hoher elektrischer Leitfähigkeit ausgeführt. Zum Korrosionsschutz der leitenden Abschirmschicht 1 kann deren Fläche mit einer 5 bis 20 µm dicken Dielektrikumschicht überzogen werden.The shielding layer 1 is made of aluminum, copper, silver or other material with high electrical conductivity. To protect the conductive shielding layer 1 from corrosion, its surface can be covered with a 5 to 20 μm thick dielectric layer.

Die Schicht 2 wird in Form einer Dreiplattenkonstruktion hergestellt, die einen Korrosionsschutz für die Leiter der Speiseschaltung gewährleistet.Layer 2 is produced in the form of a three-plate construction, which ensures corrosion protection for the conductors of the supply circuit.

Die Schicht 4 wird auch in Form einer Dreiplattenkonstruktion erzeugt, wobei die Oberseite der leitenden Platte mit dem System der Schlitzstrahler 5, 6 mit einer Kunststoffolie nach den Anlöten oder Ankleben der Platte am Gitter 9 überzogen wird.The layer 4 is also produced in the form of a three-plate construction, the upper side of the conductive plate with the system of slot radiators 5, 6 being covered with a plastic film after the plate has been soldered or glued to the grid 9.

Die Zwischenlagen 7, 8 werden aus Schaumpolystyrol oder einem anderen Dielektrikum mit einem geringen dielektrischen Verlustfaktor hergestellt.The intermediate layers 7, 8 are made of foam polystyrene or another dielectric with a low dielectric loss factor.

Das Gitter 9 und die teildurchlässige Schicht 11 werden aus einem gut leitenden Material in der Art von Aluminium, Kupfer, Silber oder einem nach dem elektrischen Leitvermögen ähnlichen Material hergestellt. Das Gitter 9 wird entweder aus Dielektrikum mit einem darauf aufgebrachten Metallüberzug oder aus einem gut leitenden Material hergestellt.The grid 9 and the partially permeable layer 11 are made of a highly conductive material such as aluminum, copper, silver or a material similar in terms of electrical conductivity. The grid 9 is made either of a dielectric with a metal coating applied thereon or of a highly conductive material.

Die Schicht 11 wird in Form einer Metallplatte erzeugt, die durch runde oder quadratische Öffnungen 12 abgelocht ist. In der anderen Ausführungsform wird die Schicht 11 (Fig. 2) in Form einer Isolierfolie mit auf deren beiden Seiten angebrachten elektrisch isolierten Metallplatten 15 hergestellt.The layer 11 is produced in the form of a metal plate which is perforated by round or square openings 12. In the other embodiment, the layer 11 (FIG. 2) is produced in the form of an insulating film with electrically insulated metal plates 15 attached to its two sides.

Die leitende Platte der Schicht 4, das Gitter 9 und die Schicht 11 werden nach dem Zusammenbau der Antenne miteinander nach der gesamten Berührungslinie galvanisch kontaktiert. Die galvanische Kopplung wird entweder durch Löten oder Ankleben mittels eines leitenden Klebstoffes erreicht.After assembly of the antenna, the conductive plate of layer 4, the grating 9 and the layer 11 are galvanically contacted with one another over the entire line of contact. The galvanic coupling is achieved either by soldering or gluing using a conductive adhesive.

Die leitende Platte der Schicht 4 bildet samt den Zellen 10 des Gitters 9 und der Schicht 11 n x m Hohlraumresonatoren mit einer teildurchlässigen Oberfläche, wo n und m die Zahlen der Resonatoren in Richtung der Achsen x und y eines rechtwinkligen Koordinatensystems in der Ebene der Antennenöffnung bedeuten. Die Länge und die Breite der Zellen 10 werden in der Grössenordnung von einigen WellenLängen in Abhängigkeit vom vorgegebenen Betriebsfrequenzbereich, beispielsweise von 4 λ x 4λ , gewählt. Die Höhe des Gitters 9 wird aus der Forderung gewählt, dass die Summe der Höhe des Gitters 9 und der halben Dicke der Schicht 11 von der halben Wellenlänge um eine Grösse abweicht, Die proportional zur Quadratwurzel aus dem relativen Frequenzbereich ist, beispielsweise um eine Grösse von 0,02 bis 0,07 der Wellenlänge. Die Wahl der Zahl n x m der Resonatoren wird aus der Bedingung der Sicherung eines vorgegebenen Antennenverstärkungsfaktors verwirklicht.The conductive plate of the layer 4 together with the cells 10 of the grating 9 and the layer 11 forms nxm cavity resonators with a partially permeable surface, where n and m represent the numbers of the resonators in the direction of the axes x and y of a right-angled coordinate system in the plane of the antenna opening. The length and the width of the cells 10 are selected in the order of a few wavelengths depending on the predetermined operating frequency range, for example 4 λ x 4λ. The height of the grating 9 is chosen from the requirement that the sum of the height of the grating 9 and half the thickness of the layer 11 deviate from the half wavelength by a size which is proportional to the square root of the relative frequency range, for example by a size of 0.02 to 0.07 of the wavelength. The choice of the number nxm of the resonators is realized on the condition of securing a predetermined antenna amplification factor.

Im Sendebetrieb arbeitet die erfindungsgemässe Flächenantenne wie folgt.In transmission mode, the surface antenna according to the invention works as follows.

Das Signal vom Sender (in Fig. nicht gezeigt) wird auf den Eingang des Koaxial-Streifen-Überganges 14 (Fig. 1) gegeben und im weiteren über die Streifen 3 der Speiseschaltung den Schlitzstrahlern 5, 6 zugeführt.The signal from the transmitter (not shown in FIG.) Is applied to the input of the coaxial strip transition 14 (FIG. 1) and is subsequently fed to the slot radiators 5, 6 via the strips 3 of the feed circuit.

Die Schlitze werden durch das Feld der elektromagnetischen Welle erregt, die sich längs der Streifenleitung ausbreitet. Ferner erfolgt eine Erregung der Hohlraumresonatoren durch die Schlitze, worauf die elektromagnetische Energie durch die Schicht 11 ausgestrahltwird.The slits are excited by the field of the electromagnetic wave that propagates along the stripline. Furthermore, the cavity resonators are excited by the slots, whereupon the electromagnetic energy is emitted through the layer 11.

Die Feldstruktur im Resonator mit einer teildurchlässigen Wand strebt mit steigender Güte asymptotisch der Feldstruktur im geschlossenen Resonator zu.The field structure in the resonator with a partially permeable wall strives asymptotically towards the field structure in the closed resonator with increasing quality.

Die Schlitze der Strahler 5, 6 (Fig. 1) erregen im Resonator eine Grundschwingung, die annähernd durch die Beziehungen

E x = cos πy  l · sin πz  a · sin ωt   (1)

Figure imgb0001


E y = cos πx  l · sin πz  a · cos ωt   (2)
Figure imgb0002


beschrieben wird, worin

ω
die Kreisfrequenz der Schwingungen im Resonator,
l
die Seitenlänge des Resonators,
a
die Resonatorhöhe
bedeuten.The slots of the radiators 5, 6 (Fig. 1) excite a fundamental vibration in the resonator, which is due to the relationships

E x = cos πy l · Sin πz a Sin ωt (1)
Figure imgb0001


E y = cos πx l · Sin πz a · Cos ωt (2)
Figure imgb0002


is described in which
ω
the angular frequency of the vibrations in the resonator,
l
the side length of the resonator,
a
the resonator height
mean.

Die Amplituden der höheren Schwingungen sind klein gegen die Amplitude der Grundschwingung infolge dar Filtereigenschaften des Resonators.The amplitudes of the higher vibrations are small compared to the amplitude of the fundamental vibration due to the filter properties of the resonator.

Im Ergebnis des Durchganges der Welle durch die Schicht 11 wird in der Antennenöffnung eine Feldverteilung nach dem Gesetz

E ¯ = i. cos πy  l · sin ω t + J cos πx  l · cos ω t,   (3)

Figure imgb0003


   i( γ ¯
Figure imgb0004
)- Einheitsvektor in Richtung der Achse x(y), erzeugt.As a result of the passage of the wave through the layer 11, a field distribution according to the law becomes in the antenna opening

E ¯ = i. cos πy l Sin ω t + J cos πx l · Cos ω t, (3)
Figure imgb0003


i ( γ ¯
Figure imgb0004
) - unit vector in the direction of the axis x (y).

Bei der vorliegenden Feldverteilung in der Öffnung formiert die Antenne ein Richtdiagramm mit einem Strahlungsmaximum in Normalenrichtung zur Öffnung, während das Strahlungsfeld eine Zirkularpolarisation aufweist.In the present field distribution in the opening, the antenna forms a directional diagram with a radiation maximum in the normal direction to the opening, while the radiation field has circular polarization.

Die zusätzliche Einführung des Gitters 9 und der Schicht 11 in die Antenne gestattet es, die Schlitzstrahler 5, 6 im Gitter in viel grösseren Abständen anzuordnen. Die Analyse der Ergebnisse der zahlenmässigen Untersuchungen zeigt bei Benutzung einer strengen Lösung der elektrodynamischen Aufgabe der Erregung einer Resonatorantenne, dass bei der Arbeit im 5-%-Frequenzband die Schlitze der Strahler 5, 6 auf der leitenden Platte der Schicht 4 voneinander in der Ebene H ¯

Figure imgb0005
in einem Abstand von 4 λ liegen können` Anhand der Ergebnisse der experimentellen Untersuchungen ist festgestellt worden, dass der Abstand zwischen den zwei Schlitzen in der Ebene E ¯
Figure imgb0006
eine ca. doppelte Wellenlänge betragen kann. Das Versuchsmuster mit einer Linearpolarisation des Strahlungsfeldes, das ein 5-%-Frequenzband bei der Seitenlänge der Zelle 10 von 4 λ x 4 λ und bei n = m = 1
Figure imgb0007
ermöglicht, weist zwei Schlitze auf, die in der Ebene des Vektors E ¯
Figure imgb0008
liegen.The additional introduction of the grating 9 and the layer 11 into the antenna makes it possible to arrange the slot radiators 5, 6 in the grating at much greater distances. The analysis of the results of the numerical investigations using a strict solution to the electrodynamic task of excitation of a resonator antenna shows that when working in the 5% frequency band, the slots of the radiators 5, 6 on the conductive plate of the layer 4 from one another in the plane H ¯
Figure imgb0005
at a distance of 4 λ Based on the results of the experimental investigations, it was found that the distance between the two slots in the plane E ¯
Figure imgb0006
can be approximately twice the wavelength. The test pattern with a linear polarization of the radiation field, which shows a 5% frequency band at the side length of the cell 10 of 4 λ x 4 λ and at n = m = 1
Figure imgb0007
allows, has two slots in the plane of the vector E ¯
Figure imgb0008
lie.

Es muss betont werden, dass ungeachtet dessen, dass die Schlitze auf der Platte der Schicht 4 mit einer Steigung von ca. 2 λ angeordnet sind, das erfindungsgemässe Antennengitter nichtsdestoweniger keine sekundären Beugungsmaxima aufweist. Die Sache ist die, dass die zusätzliche Einführung des Gitters 9 und der Schicht 11 die Antenne in Form eines Gitters diskreter Strahler in eine Aperturantenne verwandelt, in deren Öffnung die Feldstärke in Richtung einer Koordinate konstant ist und sich in Richtung der anderen in Grenzen jedes Resonators nach dem Kosinusgesetz ändert. Die genannte-Feldverteilung in der Antennenöffnung sichert eine Unterdrückung sekundärer Interferenzmaxima, die bei grösseren Abständen im Gitter auftreten würden.It must be emphasized that despite the fact that the slits on the layer 4 plate with a 2 λ are arranged, the inventive antenna grating nonetheless has no secondary diffraction maxima. The thing is that the additional introduction of the grating 9 and the layer 11 converts the antenna in the form of a grating of discrete radiators into an aperture antenna, in the opening of which the field strength is constant in the direction of one coordinate and in the direction of the other within the limits of each resonator after the cosine law changes. The field distribution mentioned in the antenna opening ensures suppression of secondary interference maxima, which would occur at larger distances in the grating.

Dank den grösseren Abständen zwischen den Schlitzstrahlern 5, 6 im Gitter wird die Speiseschaltung der Antenne vereinfacht:

  • die Länge der Leiter der Speiseschaltung wird kleiner;
  • die Anzahl der sekundären Leistungsteiler in der Speiseschaltung nimmt ab, und demzufolge verringert sich die Anzahl der Impedanztransformatoren und der Speiseleitungskrümmer;
  • im Zusammenhang mit einer kleineren Dichte der Schaltungselemente werden die Leistungsteiler nicht in Form von rechtwinkligen Winkelstücken, sondern in Form von allmählichen Leitungskrümmern an den Verzweigungsstellen ausgeführt;
  • die Streifenleitung wird mit breiten Streifen 3 ausgeführt.
Thanks to the larger distances between the slot radiators 5, 6 in the grid, the feed circuit for the antenna is simplified:
  • the length of the conductors of the supply circuit becomes smaller;
  • the number of secondary power dividers in the feed circuit decreases, and consequently the number of impedance transformers and feed line elbows decreases;
  • in connection with a lower density of the circuit elements, the power dividers are not designed in the form of right-angled elbows, but in the form of gradual elbows at the junction points;
  • the stripline is carried out with wide strips 3.

Bei Benutzung der breiteren Streifen 3 in der Streifenleitung nimmt der Wert der Längsdämpfung der Welle in der Leitung ab. Die Verringerung der Anzahl der Schaltungselemente, die Anwendung der allmählichen Übergänge gestatten es, eine bessere Anpassung in der Schaltung zu erzielen, was die Leitungsverluste reduziert, die auf mehrfache Wellenreflexionen von den Inhomogenitäten der Schaltung zurückzuführen sind. Die Verringerung der Leitungslänge in der Speiseschaltung vermindert die Leitungsverluste.When using the wider strips 3 in the strip line, the value of the longitudinal attenuation of the wave in the line decreases. The reduction in the number of circuit elements, the use of the gradual transitions make it possible to achieve a better adaptation in the circuit, which reduces the line losses which are due to multiple wave reflections from the inhomogeneities of the circuit. The reduction the line length in the supply circuit reduces the line losses.

Darüber hinaus setzt die Wahl der breiten Streifen 3 für die Speiseleitung die Forderungen an die Herstellungsgenauigkeit für die Leitung herab.In addition, the choice of the wide strips 3 for the feed line reduces the demands on the manufacturing accuracy for the line.

Infolge der Verwendung der Resonatoren weist die erfindungsgemässe Antenne eine höhere Frequenzselektivität gegenüber den bekannten flachen Antennengittern auf, als deren Strahlungselemente Schlitze, Mikrostreifenleitungen mit Krümmern, Dipole, Mikrostreifen-Strahler, Hornstrahler dienen. Im Zusammenhang damit werden die Störeinflüsse beim Signalempfang vom Satelliten für eine direkte Fernsehsendung ausserhalb des Arbeitsfrequenzbandes verringert.As a result of the use of the resonators, the antenna according to the invention has a higher frequency selectivity compared to the known flat antenna grids than the radiation elements of which slots, microstrip lines with bends, dipoles, microstrip emitters, horn radiators are used. In connection with this, the interference with signal reception from the satellite is reduced for a direct television broadcast outside the working frequency band.

Die vorgeschlagene Antenne bietet im Vergleich zu den zur Zeit verwendeten Spiegelantennen für Systeme zur direkten Fernsehsendung einen Vorteil in Bezug auf eine konstruktive und ästhetische Übereinstimmung mit der Inneneinrichtung der Wohnungen, mit der Aussenansicht der Wohn- und der öffentlichen Gebäude, hat eine wesentlich kleinere Abmessung in Wellenstrahlenrichtung.The proposed antenna offers an advantage in comparison to the mirror antennas currently used for systems for direct television broadcasting in terms of a constructive and aesthetic correspondence with the interior of the apartments, with the exterior view of the residential and public buildings, has a much smaller dimension in Wave beam direction.

Nachstehend sind Beispiele angeführt, die die Realisierungsmöglichkeit für die vorliegende Erfindung bestätigen.The following are examples which confirm the possibility of realizing the present invention.

In der ersten Ausführungsform der Flächenantenne, die der Zahl 1 x 1 der Zellen 10 im Gitter 9 entspricht, weist die Platte der Schicht 4 zwei Reihen der je zwei Strahler 5 und 6 in jeder Reihe orthogonal angeordneten Schlitze, wie dies in Fig. 3 gezeigt ist, auf. Die Innenmasse der Zelle 10 des Gitters 9 sind 95x95 mm gleich. Die Schlitze liegen in Punkten mit den Koordinaten A (-47,5; 0); B (47,5; 0); C (0; 47,5); D (0; -47,5). Die Wandhöhe des Gitters 9 beträgt 11,7 mm.In the first embodiment of the surface antenna, which corresponds to the number 1 × 1 of the cells 10 in the grid 9, the plate of the layer 4 has two rows of the two radiators 5 and 6 in each row of orthogonally arranged slots, as shown in FIG. 3 is on. The internal dimensions of the cell 10 of the grid 9 are equal to 95x95 mm. The slots are located in points with the coordinates A (-47.5; 0); B (47.5, 0); C (0; 47.5); D (0; -47.5). The wall height of the grid 9 is 11.7 mm.

Die Schicht 11 ist durch Ablochen einer 1 mm dicken Kupferplatte unter Bildung quadratischer Öffnungen 12 der Abmessungen 7,5x7,5 mm ausgeführt. Der Lochabstand beträgt in Richtung der beiden Koordinaten 11,5 mm.The layer 11 is 1 mm thick by punching Copper plate with the formation of square openings 12 measuring 7.5x7.5 mm. The hole spacing in the direction of the two coordinates is 11.5 mm.

Die Speiseschaltung ist auf der Basis einer symmetrischen Streifenleitung ausgeführt. Die Breite des Streifens 3 beträgt 3,8 mm, die Dicke 0,018 mm. Die Höhe der Streifenleitung macht 3 mm aus. Die Zwischenlagen 7 und 8 sind aus Schaumpolystyrol hergestellt.The supply circuit is based on a symmetrical stripline. The width of the strip 3 is 3.8 mm, the thickness 0.018 mm. The height of the stripline is 3 mm. The intermediate layers 7 and 8 are made of foam polystyrene.

Den Daten der Messungen mit Hilfe eines Wellenleiters zufolge ist die Dielektrizitätskonstante des Schaumpolystyrols gleich 1,13 und sein dielektrischer Verlustfaktor gleich 5·10⁻⁵. Die Speiseschaltung ist in der Weise aufgebaut, dass die magnetischen Flüsse in den Schlitzstrahlern 5, 6 jeder Reihe in Phase liegen und gegen die Flüsse der orthogonalen Reihe um 90° phasenverschoben sind. Das Signal erreicht die Antenne durch den Streifen-Koaxial-Übergang 14.According to the data of the measurements with the aid of a waveguide, the dielectric constant of the foam polystyrene is 1.13 and its dielectric loss factor is 5 · 10⁻⁵. The feed circuit is constructed in such a way that the magnetic fluxes in the slot radiators 5, 6 of each row are in phase and are 90 ° out of phase with the flows of the orthogonal row. The signal reaches the antenna through the stripe-coaxial transition 14.

In Fig. 4 sind graphische Darstellungen aufgeführt, die das gemessene Verteilungsgesetz für eine tangente Komponente der Stärke des elektrischen Feldes E ¯

Figure imgb0009
in der Antennenapertur veranschaulichen. Die Messungen sind in einem Abstand von 4/5
Figure imgb0010
zur Antennenapertur auf einer Frequenz von 11,7 GHz durchgeführt.In Fig. 4 there are graphs showing the measured distribution law for a tangent component of the strength of the electric field E ¯
Figure imgb0009
illustrate in the antenna aperture. The measurements are at a distance of 4/5
Figure imgb0010
for the antenna aperture on a frequency of 11.7 GHz.

Die experimentellen Richtdiagramme in der Ebene des Vektors E ¯

Figure imgb0011
und in der Ebene des Vektors H ¯
Figure imgb0012
sind in Fig. 5 bzw. 6 gezeigt.The experimental directional diagrams in the plane of the vector E ¯
Figure imgb0011
and in the plane of the vector H ¯
Figure imgb0012
are shown in Figs. 5 and 6, respectively.

Die Abhängigkeit des Antennenverstärkungsfaktors K von der Frequenz F ist den experimentell ermittelten Messdaten zufolge angegeben.The dependency of the antenna gain factor K on the frequency F is given according to the experimentally determined measurement data.

In der zweiten Ausführungsform der Flächenantenne weist das Aluminiumgitter 9 4x4 Zellen 10 auf. Die Innenmasse der Zellen 10 sind 95x95 mm gleich. Die Wandhöhe des Gitters 9 beträgt 11,7 mm. Auf der Platte der Schicht 4 sind zwei Systeme der orthogonal angeordneten Schlitzstrahler 5 und 6 untergebracht. In jedem System sind die Schlitze in vier Reihen zu acht einander parallele Schlitze der Strahler 5 oder 6 in der Reihe angeordnet.In the second embodiment of the surface antenna, the aluminum grating 9 has 4x4 cells 10. The internal dimensions of the cells 10 are equal to 95x95 mm. The wall height of the grid 9 is 11.7 mm. Two systems of the orthogonally arranged slot radiators 5 and 6 are accommodated on the plate of layer 4. Are in every system the slots are arranged in four rows to eight parallel slots of the radiators 5 or 6 in the row.

Die Schicht 11 ist aus einem Aluminiumblech von 1 mm Dicke durch dessen Ablochen unter Bildung quadratischer Öffnungen 12 der Abmessungen 7,5x7,5 mm hergestellt. Das Gitter 9, die Schicht 11 und die leitende Platte der Schicht 4 bilden in der Gesamtheit sechzehn Hohlraumresonatoren mit einer teildurchlässigen-Oberfläche. Die Anordnung der Schlitze auf der Oberfläche jedes Resonators ist identisch mit der Anordnung der Schlitze in der ersten Antenne. Die Streifenleitung der Speiseschaltung weist im Querschnitt die gleichen Abmessungen wie auch die Leitung der ersten Antenne auf. Das Signal erreicht die Antenne durch einen Streifen-Wellenleiter-Übergang 14. Die Antennenverkleidung 13 ist aus Schaumpolystyrol mit einer Dichte von 0,6 g/cm³ ausgeführt. Die Aussenabmessungen der Antenne (ohne Berücksichtigung der Abmessungen des Koaxial-Streifen-Überganges) betragen 400x400x24 mm. Das Antennengewicht ist 2,7 kg gleich.The layer 11 is made of an aluminum sheet 1 mm thick by perforating it to form square openings 12 of dimensions 7.5x7.5 mm. The grid 9, the layer 11 and the conductive plate of the layer 4 together form sixteen cavity resonators with a partially permeable surface. The arrangement of the slots on the surface of each resonator is identical to the arrangement of the slots in the first antenna. The strip line of the feed circuit has the same dimensions in cross section as the line of the first antenna. The signal reaches the antenna through a strip-waveguide transition 14. The antenna cladding 13 is made of foam polystyrene with a density of 0.6 g / cm³. The external dimensions of the antenna (without taking into account the dimensions of the coaxial strip transition) are 400x400x24 mm. The antenna weight is equal to 2.7 kg.

Die experimentellen Richtdiagramme der zweiten Antenne in der Ebene der Vektoren E ¯

Figure imgb0013
und H ¯
Figure imgb0014
sind in Fig. 8 bzw. 9 dargestellt.The experimental directional diagrams of the second antenna in the vector plane E ¯
Figure imgb0013
and H ¯
Figure imgb0014
are shown in Figs. 8 and 9, respectively.

Die Abhängigkeit des Verstärkungsfaktors K der zweiten Antenne von der Frequenz F ist anhand der Messdaten in Fig. 10 angegeben.The dependence of the amplification factor K of the second antenna on the frequency F is indicated on the basis of the measurement data in FIG. 10.

Der Elliptizitätsfaktor ist am Maximum des Richtdiagramms im Frequenzbereich von 11,7 bis 12,2 GHz nicht schlechter als 1 dB.The ellipticity factor at the maximum of the directional diagram in the frequency range from 11.7 to 12.2 GHz is not worse than 1 dB.

Industrielle AnwendungIndustrial application

Die Erfindung kann mit Erfolg in Systemen zur Satelliten- und Bodenverbindung, in Satellitenfernsehsystemen, insbesondere als Antenne zum direkten Signalempfang im Satellitenfernsehen im 12-GHz-Bereich, angewendet werden.The invention can be successfully used in systems for satellite and ground connection, in satellite television systems, in particular as an antenna for direct signal reception in satellite television in the 12 GHz range.

Claims (5)

Flächenantenne in Form einer Mehrschichtstruktur, die durch gegeneinander durch Isolierzwischenstofflagen (7, 8) abgetrennte Abschirmschicht (1) aus leitendem Material, Schicht (2) mit einer Streifen-Speiseschaltung und Strahlungsschicht (4) in Form einer Platte mit Schlitzstrahlern (5, 6), die mit den jeweiligen Streifen (3) der Speiseschaltung elektromagnetisch-gekoppelt sind, gebildet ist und einen mit der Abschirmschicht (1) und den Streifen (3) der Speiseschaltung verbundenen Übergang (14) enthält, dadurch gekennzeichnet, dass sie zusätzlich ein Gitter (9) mit Hohlraumzellen (10) und eine darauf angeordnete, für den Empfangswellenbereich teildurchlässige Schicht (11) enthält, wobei die Fläche des Gitters (9) aus leitendem Material ausgeführt und das Gitter (9) auf einer Platte mit einer Strahlungsschicht (4) unter Bildung eines Hohlraumresonators durch jede seiner Zellen (10) angeordnet ist, in dem mindestens ein Schlitzstrahler (5,6) angeordnet ist, wobei die Breite und die Länge jeder Zelle (10) die mittlere Wellenlänge (λ) überschreitet und deren Höhe von der halben mittleren Wellenlänge (λ) um eine Grösse von ca. 0,02 bis 0,07 der Wellenlänge (λ) abweicht.Surface antenna in the form of a multi-layer structure, the shielding layer (1) made of conductive material separated from one another by insulating intermediate layers (7, 8), layer (2) with a strip feed circuit and radiation layer (4) in the form of a plate with slot radiators (5, 6) , which are electromagnetically coupled to the respective strips (3) of the feed circuit, and which contains a transition (14) connected to the shielding layer (1) and the strips (3) of the feed circuit, characterized in that they additionally comprise a grid ( 9) with cavity cells (10) and a layer (11) which is arranged thereon and is partially transparent to the reception wave range, the surface of the grating (9) being made of conductive material and the grating (9) on a plate with a radiation layer (4) underneath Formation of a cavity resonator through each of its cells (10) is arranged, in which at least one slot radiator (5,6) is arranged, the width and the length of each cell (10) exceeds the mean wavelength (λ) and the height of which deviates from the half mean wavelength (λ) by an amount of approximately 0.02 to 0.07 of the wavelength (λ). Flächenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die teildurchlässige Schicht (11) in Form einer Platte aus leitendem Material mit Koppelöffnungen (12) hergestellt ist, wobei die Höhe des Gitters (9) unterhalb einer halben mittleren Wellenlänge (λ) liegt.Surface antenna according to claim 1, characterized in that the partially transparent layer (11) is made in the form of a plate made of conductive material with coupling openings (12), the height of the grating (9) being below half a medium wavelength (λ). Flächenantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die teildurchlässige Schicht (11) in Form einer Isolierfolie mit darauf beiderseits angebrachten elektrisch isolierten Metallplatten (15) ausgeführt ist, wobei die Höhe des Gitters (9) oberhalb einer halben mittleren Wellenlänge (λ) liegt.Surface antenna according to Claim 1, characterized in that the partially permeable layer (11) is in the form of an insulating film with electrically insulated metal plates (15) attached to it on both sides, the height of the grating (9) is above half a medium wavelength (λ). Flächenantenne nach Anspruch 1,dadurch gekennzeichnet, dass die Breite und die Länge jeder Zelle (10) ≧ 4 λ ist, wobei λ die Wellenlänge ist, während die Anzahl der Schlitzstrahler (5) in jeder Zelle (10) gleich zwei ist und sie parallel zu einer Wand der Zelle (10) in Abständen von dieser liegen, die jeweils 1/4 und 3/4 der Länge der-zu den Schlitzen der Strahler (5) orthogonalen Wand ausmachen.Surface antenna according to claim 1, characterized in that the width and the length of each cell (10) is ≧ 4 λ, where λ is the wavelength, while the number of slot radiators (5) in each cell (10) is equal to two and they are parallel to a wall of the cell (10) at a distance therefrom, each of which is 1/4 and 3/4 of the length of the wall orthogonal to the slots of the radiators (5). Flächenantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass in jeder Zelle (10) des Gitters (9) zusätzlich zwei Schlitzstrahler (6) ausgeführt sind, die parallel zueinander und orthogonal zu den Haupt-Schlitzstrahlern (5) in Abständen liegen, die 1/4 bzw. 3/4 der Länge der zu den Schlitzen der Strahler (6) orthogonalen Wand betragen, wobei sich die Längen der jedem Paar der orthogonal angeordneten Schlitzstrahler (5, 6) entsprechenden Streifen (3) voneinander um 1/4 der Wellenlänge (λ) unterscheiden.Surface antenna according to Claim 4, characterized in that in each cell (10) of the grating (9) there are additionally two slot radiators (6) which are parallel to one another and orthogonal to the main slot radiators (5) at intervals of 1/4 or 3/4 of the length of the wall orthogonal to the slots of the radiators (6), the lengths of the strips (3) corresponding to each pair of the orthogonally arranged slot radiators (5, 6) being 1/4 from the wavelength (λ ) differentiate.
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