EP1263086B1 - Schlitzstrahlerelement - Google Patents

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EP1263086B1 EP02007598A EP02007598A EP1263086B1 EP 1263086 B1 EP1263086 B1 EP 1263086B1 EP 02007598 A EP02007598 A EP 02007598A EP 02007598 A EP02007598 A EP 02007598A EP 1263086 B1 EP1263086 B1 EP 1263086B1
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EADS Deutschland GmbH
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    • H01Q13/00—Waveguide horns or mouths; Slot antennas; Leaky-waveguide antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
    • H01Q13/20—Non-resonant leaky-waveguide or transmission-line antennas; Equivalent structures causing radiation along the transmission path of a guided wave
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    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q21/00—Antenna arrays or systems
    • H01Q21/0006—Particular feeding systems
    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
    • H01Q21/0043—Slotted waveguides

Definitions

  • the invention relates to a slot radiator element according to claim 1.
  • Slot radiator elements as often used in high-frequency technology as an antenna include a longitudinally extending waveguide with at least one slot for emitting a portion of a guided in the waveguide electromagnetic wave. In the area of the slot is often one from one conductive material existing pin as means for exciting the radiation of Waveguide shaft provided from the slot. Such a slot radiator is e.g. out DE 1 959 159 U known. In the equivalent circuit diagram, this represents a first cross-connected Capacitance C1 on the waveguide.
  • the object of the invention is to provide an improved slot radiator element.
  • the coupling means by a at the with the Slit running a broadside laterally adjacent to the slot arranged pin formed and with its center over the lateral boundary arranged the bridge.
  • the slot of the waveguide is shown as a series resonant circuit, the stepped recess one to the Series resonant circuit connected in parallel negative capacity.
  • Negative and positive capacity can be explained with the help of field theory. So represents the coupling agent in the region of the slot is a positive capacity.
  • Field Theory the effect of the coupling agents can be seen as field distortion, predominantly explain the electrical field of the wire. This leads to an increase in the Field energy around the coupling agent, e.g. a pen around. In a wiring diagram this effect can be represented as capacity. Because the concentration of the electric Field is increased, the capacity is positive.
  • Substitute circuit diagram can also be displayed as a capacity.
  • stepped depression of the web the web is reduced, which is a reduction the field energy causes.
  • the capacity thus has a negative value.
  • the means for excitation the radiation of the waveguide wave by a laterally disposed next to the slot Pen formed of a conductive material is provided.
  • the pin with respect to the longitudinal direction of the waveguide in the amount of Center of the slot arranged.
  • the step-shaped recess has a rectangular cross section with a length D and a height H parallel to and / or perpendicular to the longitudinal direction of the web.
  • the step-shaped recess and the slot are advantageous with respect to the longitudinal direction of the waveguide centered to each other.
  • the width B of the web is advantageously greater than the width b of the slot.
  • Fig. 1a and 1b show fragmentary slot radiating element in the form of a rectangular ridge waveguide with two broad sides 4, 9 as well as two narrow sides 7, 8.
  • the waveguide 1 is provided with a slot 2, which is in Longitudinal direction of the waveguide 1 extends.
  • the slot 2 serves to emit a Part of an electromagnetic wave guided in the waveguide.
  • the length of the Slot 2 is half the wavelength in the illustrated embodiment ⁇ / 2 of the operating frequency, i. the resonant frequency of the slot radiator element.
  • another (second) broad side 9 is another (second) broad side 9, on the inside of the slot 2 opposite one also provided in the longitudinal direction of the waveguide 1 extending web 3 is.
  • a pin 5 is arranged from an electrically conductive material, by which means for exciting the radiation of the waveguide wave from the Slot 2 are formed.
  • the pin 5 causes an asymmetrical distortion of the field distribution in the waveguide in the region of the slot, which makes it the waveguide wave is allowed to exit from the slot 2 for radiation. Without such means to Excitation of the radiation would be a rectangular ridge waveguide of the type shown, in which both the slot 2 and the web 3 run in the center of the waveguide, do not radiate.
  • the pin 5 or generally speaking, the means for exciting the radiation of the waveguide wave from the slot 2, a capacitance C 1 , which is connected in parallel to a series resonant circuit LCR representing the slot 2.
  • the capacitance C 1 means a load of this series resonant circuit LCR with a capacitive reactance.
  • a stepped recess 6 is formed on the web 3 in the region of the slot 2.
  • This step-shaped depression 6 represents for the wave propagating in the waveguide 1 a second cross-connected capacitance C 2 which at least partially compensates for the first cross-connected capacitance C 1 represented by the pin 5.
  • the stepped recess 6 has seen from the side a rectangular shape with a length D and a height H. Viewed transversely to the longitudinal direction of the waveguide 1, the step-shaped recess 6, the width of which corresponds to the web 3, a likewise rectangular cross-section.
  • the step-shaped recess 6 thus has a resulting negative capacitance, which is the (positive) capacity of the means, ie the pin 5, for exciting the radiation from the slot 2 just opposite.
  • the means 5 for the radiation from the slot 2 forming pin 5 is with respect to the Longitudinal direction of the waveguide 1 is arranged centrally on the slot 2.
  • the bridge has 3 transverse to the longitudinal direction of the waveguide 1 seen a rectangular cross section, wherein the width B of the web 3, and thus also the step-shaped recess 6, greater than the width b of the slot 2 is.
  • the laterally arranged next to the slot 2 Pin 5 is centered about the lateral boundary of the web 3.
  • the step-shaped recess 6 is with respect to the longitudinal direction of the Waveguide 1 is arranged centrally on the slot 2.
  • the resulting effect of the combined arrangement of the means of radiation the waveguide shaft forming pin 5 and formed by the recess 6 Step form consists in an excitation of the radiation of the waveguide shaft from the Slot 2 without a load on the circuit with a capacitive reactance.

Landscapes

  • Waveguide Aerials (AREA)
  • Catching Or Destruction (AREA)
  • Respiratory Apparatuses And Protective Means (AREA)

Description

Die Erfindung betrifft ein Schlitzstrahlerelement nach dem Anspruch 1.
Schlitzstrahlerelemente, wie sie in der Hochfrequenztechnik als Antenne häufig verwendet werden, umfassen einen sich in einer Längsrichtung erstreckenden Hohlleiter mit mindestens einem Schlitz zur Abstrahlung eines Teils einer in dem Hohlleiter geführten elektromagnetischen Welle. Im Bereich des Schlitzes ist oft ein aus einem leitfähigen Material bestehender Stift als Mittel zur Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle aus dem Schlitz vorgesehen. Ein solcher Schlitzstrahler ist z.B. aus DE 1 959 159 U bekannt. Im Ersatzschaltbild repräsentiert dieser eine erste quergeschaltete Kapazität C1 am Hohlleiter.
Aus DE 33 10 531 A1, US 2,818,565 und US 3,015,100 sind aber auch Schlitzstrahlerelemente bekannt, bei denen der Hohlleiter mit einem sich innen an der dem Schlitz gegenüberliegenden Wand in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckenden Steg versehen ist.
Im besonderen Fall eines symmetrisch aufgebauten Rechteck- Steghohlleiters, bei dem sowohl ein sich in Längsrichtung des Hohlleiters erstreckender Schlitz als auch der Steg bezüglich der Querausdehnung des Hohlleiters mittig angeordnet sind, ist der besagte aus einem leitfähigen Material bestehende Stift ein notwendiges Mittel zur Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle aus dem Schlitz. Das Wirkungsprinzip besteht in einer unsymmetrischen Verzerrung der Feldverteilung in dem Hohlleiter unter dem Schlitz. Die Schlitz-Stift-Kombination wirkt im Ersatzschaltbild wie ein quergeschalteter Kondensator parallel zu einem Serienresonanzkreis. Zur Kompensation kann in der Hohlleitertechnik eine induktive Blende eingesetzt werden. Deren Realisierung ist jedoch in der Praxis schwierig und sie bewirkt darüber hinaus selbst eine auf die Anregung der Abstrahlung rückwirkende Feldverzerrung.
Die Aufgabe der Erfindung ist es, ein verbessertes Schlitzstrahlerelement zu schaffen.
Die Aufgabe wird erfindungsgemäß durch ein Schlitzstrahlerelement gemäß den Merkmalen des Anspruches 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Schlitzstrahlerelements sind Gegenstand von Unteransprüchen.
Durch die Erfindung wird ein Schlitzstrahlerelement in Form eines rechteckigen Steg-Hohlleiters, umfassend
  • mindestens einen in der Mitte der einen Breitseite befindlichen Schlitz,
  • einen in der Mitte der Innenoberfläche der anderen Breitseite angeordneten rechteckigen Steg, wobei der Schlitz und der Steg sich jeweils entlang der Längsrichtung des Hohlleiters erstrecken,
  • innerhalb des Steg-Hohlleiters angeordnete Kopplungsmittel welche den Schlitz zur Abstrahlung elektromagnetischer Energie anregen,
  • auf der dem Schlitz zugewandten Oberfläche des Stegs ausgeführten Kompensationsmittel, welche die durch die Kopplungsmittel verursachte Fehlanpassung des Hohlleiters an den, den Hohlleiter mit elektromagnetischer Energie speisenden Generator kompensieren, wobei die Kompensationsmittel derart ausgeführt sind, dass der Steg im Bereich des Schlitzes eine stufenförmige Vertiefung aufweist.
Erfindungsgemäß sind die Kopplungsmittel durch einen an der mit dem Schlitz ausgeführten einen Breitseite seitlich neben dem Schlitz angeordneten Stift gebildet und mit ihrer Mitte über der seitlichen Begrenzung des Steges angeordnet.
Vorzugsweise stellt in einem Leitungsersatzschaltbild, in dem der Schlitz des Hohlleiters als Serienresonanzkreis dargestellt ist, die stufenförmige Vertiefung eine zu dem Serienresonanzkreis parallel geschaltete negative Kapazität dar.
Negative und positive Kapazität lassen sich mit Hilfe der Feldtheorie erklären. So stellt das Kopplungsmittel im Bereich des Schlitzes eine positive Kapazität dar. Feldtheoretisch läßt sich die Wirkung der Kopplungsmittel als Feldverzerrung, vorwiegend des elektrischen Feldes der Leitung erklären. Dabei kommt es zu einer Erhöhung der Feldenergie um das Kopplungsmittel, z.B. ein Stift herum. In einem Leitungsschaltbild kann diese Wirkung als Kapazität dargestellt werden. Da die Konzentration des elektrischen Feldes vergrößert wird, ist die Kapazität positiv.
Der Steg auf der dem Schlitz gegenüberliegenden Breitseite des Hohlleiters ist in einem Ersatzschaltbild ebenfalls als Kapazität darstellbar. Durch die erfindungsgemäße stufenförmige Vertiefung des Steges wird der Steg verkleinert, was eine Erniedrigung der Feldenergie bewirkt. Die Kapazität besitzt somit einen negativen Wert.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sind die Mittel zur Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle durch einen seitlich neben dem Schlitz angeordneten Stift aus einem leitfähigen Material gebildet.
Vorzugsweise ist der Stift bezüglich der Längsrichtung des Hohlleiters in Höhe der Mitte des Schlitzes angeordnet.
In einer bevorzugten Ausführungsform weist die stufenförmige Vertiefung einen rechteckigen Querschnitt mit einer Länge D und einer Höhe H parallel und/oder senkrecht zur Längsrichtung des Steges auf. Die Länge D und die Länge H der stufenförmigen Vertiefung sind vorteilhaft derart gewählt, dass C1 + C2 = 0 gilt, wobei C1 die in einem Leitungsersatzschaltbild als Kapazität C1 darzustellenden Kopplungsmittel und C2 die in einem Leitungsersatzschaltbild als negative Kapazität C2 darzustellenden stufenförmigen Vertiefung in dem Steg ist.
Die stufenförmige Vertiefung und der Schlitz sind vorteilhaft bezüglich der Längsrichtung des Hohlleiters mittig zueinander angeordnet.
Die Breite B des Steges ist vorteilhaft größer als die Breite b des Schlitzes.
Die Erfindung wird im Folgenden anhand von Zeichnungen näher erläutert. Es zeigen:
Fig. 1a
in perspektivischer Seitenansicht einen Ausschnitt eines Schlitzstrahlerelements gemäß einem Ausführungsbeispiel der Erfindung;
Fig. 1b
eine Draufsicht des in Fig. 1a gezeigten Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Schlitzstrahlerelements; und
Fig. 2
ein Ersatzschaltbild des erfindungsgemäßen Schlitzstrahlerelements nach den Fig. 1a und 1b.
Fig. 1a und 1b zeigen ausschnittsweise Schlitzstrahlelement in Form eines Rechteck-Steghohlleiters mit zwei Breitseiten 4, 9 sowie zwei Schmalseiten 7, 8. An seiner einen (ersten) Breitseite 4 ist der Hohlleiter 1 mit einem Schlitz 2 versehen, der sich in Längsrichtung des Hohlleiters 1 erstreckt. Der Schlitz 2 dient zur Abstrahlung eines Teils einer in dem Hohlleiter geführten elektromagnetischen Welle. Die Länge des Schlitzes 2 beträgt bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel die halbe Wellenlänge λ/2 der Arbeitsfrequenz, d.h. der Resonanzfrequenz des Schlitzstrahlerelements. Der ersten Breitseite 4 des Rechteckhohlleiters gegenüberliegend befindet sich eine andere (zweite) Breitseite 9, an deren Innenseite dem Schlitz 2 gegenüberliegend ein sich ebenfalls in Längsrichtung des Hohlleiters 1 erstreckender Steg 3 vorgesehen ist. Im Bereich des Schlitzes 2, nämlich in Längsrichtung des Hohlleiters 1 betrachtet in dessen Mitte, ist ein Stift 5 aus einem elektrisch leitfähigen Material angeordnet, durch welchen Mittel zur Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle aus dem Schlitz 2 gebildet sind. Der Stift 5 bewirkt eine unsymmetrische Verzerrung der Feldverteilung in dem Hohlleiter im Bereich des Schlitzes, wodurch es der Hohlleiterwelle gestattet wird, aus dem Schlitz 2 zur Abstrahlung auszutreten. Ohne solche Mittel zur Anregung der Abstrahlung würde ein Rechteck-Steghohlleiter der dargestellten Art, bei dem sowohl der Schlitz 2 als auch der Steg 3 in der Hohlleiter-Mitte verlaufen, nicht abstrahlen.
Bezugnehmend auf Fig. 2, bildet der Stift 5, bzw. allgemein gesprochen, die Mittel zur Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle aus dem Schlitz 2, eine Kapazität C1, welche einem den Schlitz 2 repräsentierenden Serienresonanzkreis LCR parallel geschaltet ist. Die Kapazität C1 bedeutet eine Belastung dieses Serienresonanzkreises LCR mit einem kapazitiven Blindwiderstand.
Wiederum zurückkehrend zu Fig. 1a und 1b ist an dem Steg 3 im Bereich des Schlitzes 2 eine stufenförmige Vertiefung 6 ausgebildet. Diese stufenförmige Vertiefung 6 repräsentiert für die sich in dem Hohlleiter 1 ausbreitende Welle eine zweite quergeschaltete Kapazität C2, welche die durch den Stift 5 repräsentierte erste quergeschaltete Kapazität C1 zumindest teilweise kompensiert. Die stufenförmige Vertiefung 6 hat von der Seite gesehen eine rechteckige Form mit einer Länge D und einer Höhe H. Quer zur Längsrichtung des Hohlleiters 1 gesehen hat die stufenförmige Vertiefung 6, deren Breite der des Steges 3 entspricht, einen ebenfalls rechteckigen Querschnitt. Die Länge D und die Höhe H der stufenförmigen Vertiefung 6 sind so gewählt, daß sich die Kapazität C1 der Mittel zur Anregung zur Abstrahlung aus dem Schlitz 2, also des leitenden Stiftes 5, und die Kapazität C2 der stufenförmigen Vertiefung 6 gerade aufheben, also gilt C1 + C2 = 0. Die stufenförmige Vertiefung 6 hat somit eine resultierende negative Kapazität, welche der (positiven) Kapazität der Mittel, d.h. des Stiftes 5, zur Anregung der Abstrahlung aus dem Schlitz 2 gerade entgegengerichtet ist.
Der die Mittel zur Abstrahlung aus dem Schlitz 2 bildende Stift 5 ist bezüglich der Längsrichtung des Hohlleiters 1 mittig an dem Schlitz 2 angeordnet. Der Steg 3 hat quer zur Längsrichtung des Hohlleiters 1 gesehen einen rechteckigen Querschnitt, wobei die Breite B des Steges 3, und damit auch die der stufenförmigen Vertiefung 6, größer als die Breite b des Schlitzes 2 ist. Der seitlich neben dem Schlitz 2 angeordnete Stift 5 befindet sich mit seiner Mitte ungefähr über der seitlichen Begrenzung des Steges 3. Die stufenförmige Vertiefung 6 ist bezüglich der Längsrichtung des Hohlleiters 1 mittig an dem Schlitz 2 angeordnet.
Die resultierende Wirkung der kombinierten Anordnung des die Mittel zur Abstrahlung der Hohlleiterwelle bildenden Stiftes 5 und der durch die Vertiefung 6 gebildeten Stufenform besteht in einer Anregung der Abstrahlung der Hohlleiterwelle aus dem Schlitz 2 ohne eine Belastung der Schaltung mit einem kapazitiven Blindwiderstand.

Claims (8)

  1. Schlitzstrahlerelement in Form eines rechteckigen Steg-Hohlleiters (1) umfassend
    mindestens einen in der Mitte der einen Breitseite (4) des rechleckigen Steg-Hohlleiters (1) befindlichen Schlitz (2),
    einen in der Mitte der Innenoberfläche der anderen Breitseite (9) des rechleckigen Steg-Hohlleiters (1) angeordneten rechteckigen Steg (3), wobei der Schlitz (2) und der Steg (3) sich jeweils entlang der Längsrichtung des Steg-Hohlleiters (1) erstrecken,
    innerhalb des Steg-Hohlleiters (1) angeordnete Kopplungsmittel.(5) welche den Schlitz (2) zur Abstrahlung elektromagnetischer Energie anregen,
    auf der dem Schlitz (2) zugewandten Oberfläche des Stegs (3) ausgeführte Kompensationsmittel (6), welche die durch die Kopplungsmittel (5) verursachte Fehlanpassung des Steg-Hohlleiters (1) an den, den Steg-Hohlleiter
    (1) mit elektromagnetischer Energie speisenden Generator kompensieren, wobei die Kompensationsmittel (6) derart ausgeführt sind, dass der Steg (3) im Bereich des Schlitzes (2) eine stufenförmige Vertiefung aufweist.
    dadurch gekennzeichnet, dass
    die Kopplungsmittel (5) durch einen an der mit dem Schlitz (2) ausgeführten einen Breitseite (4) seitlich neben dem Schlitz angeordneten Stift gebildet und mit ihrer Mitte über der seitlichen Begrenzung des Steges (3) angeordnet sind.
  2. Schlitzstrahlerelement nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass in einem Leitungsersatzschaltbild, in dem der Schlitz (2) des Steg-Hohlleiters (1) als Serienresonanzkreis (LCR) dargestellt ist, die stufenförmige Vertiefung (6) eine zu dem Serienresonanzkreis (LCR) parallel geschaltete negative Kapazität (C2) ist.
  3. Schlitzstrahlerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kopplungsmittel (5) durch einen seitlich neben dem Schlitz (2) angeordneten Stift aus einem leitfähigen Material gebildet sind
  4. Schlitzstrahlerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Stift in Höhe der Mitte des Schlitzes (2) angeordnet ist.
  5. Schlitzstrahlerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die stufenförmige Vertiefung (6) einen rechteckigen Querschnitt parallel und/oder senkrecht zur Längsrichtung des Steges (3) aufweist und eine Länge D und eine Höhe H hat.
  6. Schlitzstrahlerelement nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass bezüglich der Längsrichtung des Steg-Hohlleiters (1) die stufenförmige Vertiefung und der Schlitz (2) mittig zueinander angeordnet sind.
  7. Schlitzstrahlerelement nach einem der Ansprüche 5 oder 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge D und die Länge H der stufenförmigen Vertiefung (6) derart gewählt sind, dass gilt C1 + C2 = 0, wobei C1 die in einem Leitungsersatzschaltbild als Kapazität C1 darzustellenden Kopplungsmittel (5) und C2 die in einem Leitungsersatzschaltbild als negative Kapazität C2 darzustellenden stufenförmigen Vertiefung in dem Steg (3) ist.
  8. Schlitzstrahlerelement nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Breite B des Steges (3) größer als die Breite b des Schlitzes (2) ist.
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