EP2100348A1 - Hohlleiter-strahler, insbesondere für synthetik-apertur-radar-systeme - Google Patents

Hohlleiter-strahler, insbesondere für synthetik-apertur-radar-systeme

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EP2100348A1
EP2100348A1 EP07856032A EP07856032A EP2100348A1 EP 2100348 A1 EP2100348 A1 EP 2100348A1 EP 07856032 A EP07856032 A EP 07856032A EP 07856032 A EP07856032 A EP 07856032A EP 2100348 A1 EP2100348 A1 EP 2100348A1
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EP
European Patent Office
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waveguide
inner conductor
radiator according
winding
slots
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EP07856032A
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EP2100348B1 (de
Inventor
Christian RÖMER
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Airbus DS GmbH
Original Assignee
Astrium GmbH
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Publication date
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Publication of EP2100348B1 publication Critical patent/EP2100348B1/de
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    • 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
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
    • H01Q—ANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • 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
    • H01Q13/22—Longitudinal slot in boundary wall of waveguide or transmission line

Definitions

  • Waveguide radiators in particular for synthetic aperture radar systems
  • the invention relates to a waveguide radiator, in particular for synthetic aperture radar systems, according to claim 1.
  • Waveguide or array antenna radiators are used, for example, in phased array antennas of single and dual polarization synthetic aperture radar (SAR) systems. So far, so-called microstrip patch antennas or slotted waveguide antennas are used as emitters.
  • the former show high electrical losses and can not be efficiently realized with their electric feed network in longer radiator lengths than approximately seven wavelengths (in the X-band approx. 20 cm).
  • the latter require by their electrically resonant behavior a very high manufacturing accuracy and are only very expensive reproducible as a dual polarized radiator groups.
  • waveguides with inner webs for vertical polarization or obliquely introduced wires for a horizontal polarization and complicated waveguide couplings are required.
  • the object of the present invention is therefore to propose an efficient waveguide radiator, which can be implemented in a particularly cost-effective manner, in particular for SAR systems.
  • An essential idea of the invention is to use as a radiator a slotted waveguide in which an additional inner conductor, a so-called barline is attached.
  • This inner conductor is particular polarization-dependent specially shaped to excite all slots of the waveguide in phase.
  • a layer of dielectric can be mounted in the waveguide, on the upper side of which the inner conductor is mounted, for example by gluing.
  • a coupling can take place in the center of the radiator by a direct coaxial transition, in which the soul of a coupled coaxial cable is connected to the inner conductor.
  • the group antenna emitter according to the invention is particularly well suited for phased array antennas of SAR systems with single and dual polarization, especially for emitters in satellite-based SAR systems with receive-only apertures such as HRWS (High Resolution Wide Swath) -SAR systems, possibly for radiators in C-band SAR systems such as Sentinel 1 and for radiators in X-band systems similar to TerraSAR / Tandem-X.
  • HRWS High Resolution Wide Swath
  • the invention has the advantage that, in contrast to conventional slotted waveguides, the propagation modes are no longer dispersive but correspond to those in coaxial lines, ie TEM modes. This can increase the bandwidth.
  • the cross-sections of the waveguide can be significantly reduced in size, since there is no lower limit frequency (so-called cutoff) in TEM modes.
  • Another advantage is that the resonance is independent of the cross-section, which means that manufacturing tolerances no longer adversely affect the electrical performance.
  • the coupling can be carried out in the invention by a direct coaxial transition, which is mechanically very easy to implement, for example, by commercially available SMA panel sockets.
  • the invention compared to microstrip patch antennas significantly longer radii lengths can be realized, for example up to about 80 cm in the X-band.
  • the invention now relates, according to one embodiment, to a waveguide radiator, in particular for SAR systems
  • a slotted waveguide having a plurality of slits mounted in the waveguide; and - an inner conductor in the waveguide mounted additional inner conductor which is polarization dependent shaped so that all slots of the waveguide can be excited in phase and amplitude equal.
  • the slotted waveguide may be partially filled with a dielectric material on which the additional inner conductor is arranged.
  • the additional inner conductor may have a tortuous shape. This has the advantage that in this way an adaptation of the propagation velocity in the longitudinal direction can be made and thus the phase curve on the inner conductor can be adapted to the distance of the slots, so that it is ensured by the tortuous shape that all slots of the slotted waveguide radiator be excited in phase.
  • the additional inner conductor can also be asymmetrical. This offers an advantage in particular if the supply of the waveguide is offset from the center in the longitudinal direction. In this way, an arbitrary phase relationship between the left and right half of the waveguide can be adjusted, in particular an in-phase emission of a wave from all slots of the waveguide can be achieved.
  • the slotted waveguide may have transverse slots, whereby the waveguide is formed to radiate horizontally polarized waves.
  • a supply of the waveguide in the longitudinal extension direction may be arranged asymmetrically. This offers the advantage that such a supply of the waveguide defines two halves thereof, so that a signal conducted on the additional inner conductor can have a mutually different phase in the two waveguide halves. This allows adaptation of the radiation behavior of itself on the additional inner conductor from the feed in opposite directions advancing waves.
  • the feed of the Holleiters is arranged in the same, that are defined by the feed two waveguide sections in which propagates a wave with a phase difference of about 180 ° relative to the center of the waveguide during operation of the waveguide. This allows all slits to be excited at the center frequency with the same phase, which can achieve the high purity of the radiation behavior of such a waveguide radiator.
  • the additional inner conductor may also have a tortuous shape in another embodiment.
  • the length and number of turns sections is adapted to the distance of the slots, so that there is always a fixed number of turn sections between successive slots.
  • the winding shape in a winding section has a rotation angle phi h and a radius X h , in which
  • mea wh is the transverse extent of a turn section and meai h is the length of a turn section of the additional inner conductor are defined.
  • the additional inner conductor starting from a feed point arranged in a central region of the additional inner conductor, can have a plurality of identical winding sections in the direction of the waveguide ends. This additionally supports the in-phase excitation of the individual slots of the waveguide.
  • a straight segment of the inner conductor can be arranged between the feed point and a first turn section of the inner conductor. This offers the advantage that, by providing such a short straight segment between the feed point and the first turn section of the inner conductor, a finely adjustable tuning of the phase response of a vibration on this section of the additional inner conductor is possible without correcting or adapting the geometry of the turn section to have to.
  • the inner conductor in the region of one end of the waveguide may have a straight inner conductor segment as an open line termination.
  • the electrical length of this line termination is dimensioned to one quarter of the line wavelength.
  • the additional inner conductor has a feed point, which is arranged centrally in the slotted waveguide and symmetrically to the slots. This allows phase-synchronous excitation in longitudinal slots in the waveguide so that the individual slots radiate a wave in phase.
  • the additional inner conductor may in a further embodiment have a winding shape with a plurality of winding sections. This makes it advantageous to perform an adaptation of the wavelength of a guided on the additional inner conductor waves to the distances of the individual slots. In addition, this can be achieved that an in-phase radiation of all slots is ensured.
  • a winding portion may have a straight portion and a curved portion.
  • the curved portion can bring about a transverse guidance of a wave propagating on the additional inner conductor in the area of the slots, so that an optimal radiation of an electromagnetic wave through the slot is ensured by the flow of current transversely to the slot length.
  • the curved portion may have three curvature portions, of which a first and a third curvature portion each have a first and third radius of curvature xi and a first and third curvature angle phi 1v, respectively
  • mea vw defines the transversal extent of the second curvature portion and mea dv the length of the three curvature portions of the additional inner conductor.
  • a transversal expression of the first and third curvature section results, which is exactly half the size of the transversal expression of the second curvature section.
  • the inner conductor in the region of one end of the waveguide may have an open line termination comprising a portion of a curved portion having a first curvature portion followed by a straight conductor segment and further followed by a second curvature portion and another straight inner conductor segment.
  • an open line termination comprising a portion of a curved portion having a first curvature portion followed by a straight conductor segment and further followed by a second curvature portion and another straight inner conductor segment.
  • a group antenna radiator has the following features: a first waveguide radiator, which is designed to output horizontally polarized waves during operation; and a second waveguide radiator configured to output vertically polarized waves during operation.
  • first and second waveguide radiators may be longitudinally aligned with each other and have an equal length. This allows a TEM WeIIe be issued by the two waveguide radiators in a spatially small area, so that at a greater distance from the openings of the waveguide radiator is no longer directly recognizable that the TEM WeIIe of the two waveguide radiators was generated.
  • the first waveguide radiator relative to the second waveguide radiator can be arranged offset horizontally and vertically.
  • use parameters for the group antenna emitter can advantageously be varied or adapted, which result from the wavelength range used, for which the array antenna emitter is provided.
  • an electrically conductive material may be disposed in the region created by the offset.
  • a synthetic aperture (SAR) radar device in particular high-resolution synthetic aperture radar device, is provided which comprises a waveguide radiator according to the invention or a group antenna radiator.
  • the SAR device may be an HRWS system.
  • the array antenna radiator can be designed in particular as a radiator for a C-band SAR system such as Sentinel 1 and as a radiator for an X-band system similar to TerraSAR / Tandem-X.
  • FIG. 1 is a view of a horizontal polarizing (HP) waveguide according to an embodiment of the present invention
  • FIG. 2 shows an internal configuration of the HP waveguide shown in FIG. 1;
  • FIG. 3 shows a cross section of an HP waveguide according to an exemplary embodiment of the present invention
  • FIG. 4 shows a transverse slot distribution on an HP waveguide
  • FIG. 5 shows an overview of the slot parameters on an HP waveguide
  • Figure 6 shows asymmetries between the center and the first slot in each direction
  • FIG. 7 shows a representation of the geometric parameters of the HP inner conductor design
  • FIG. 8 is an illustration of a winding section of the HP inner conductor
  • FIG. 10 shows an open line termination at the end of an inner conductor HP waveguide according to one exemplary embodiment of the present invention
  • Figure 11 is a representation of the offset of an HP waveguide supply
  • Figure 12 is an illustration of the cross section of a waveguide feed
  • Figure 13 is an illustration of the plan view of the waveguide supply
  • Figure 14 is a view of a vertical polarizing (VP) waveguide
  • Figure 15 is an illustration of the internal structure of a VP waveguide
  • Figure 16 is a cross-sectional view through a VP waveguide
  • Figure 17 is an illustration of the slot distribution along a VP waveguide
  • FIG. 18 is an overview of the slot parameters of a VP waveguide
  • Figure 19 is a side view of the geometry of a waveguide feed
  • Figure 20 is a plan view of the waveguide feed in the form of a coaxial feed
  • Figure 21 is an illustration of a shape of an inner conductor in a VP waveguide
  • FIG. 22 is an overview of the geometric parameters of an inner conductor design
  • FIG. 23 shows an illustration of two first winding sections of an inner conductor VP waveguide
  • Figure 24 is an illustration of an open line termination at the end of a VP waveguide
  • Figure 25 is a view of an HP-VP waveguide as a group antenna emitter
  • FIG. 26 is an overview of the geometric parameters of a dual-polarized radiator
  • Figure 27 is a graph of the return loss in dB for a VP and an HP emitter
  • FIG. 28 shows a graphical representation of a coupling behavior between VP and HP radiators in dB
  • Figure 29 is a graphical representation of the directivity of an HP radiator in the azimuth far field.
  • Figure 30 is a graphical representation of the directivity of a VP radiator in the azimuth far field.
  • identical and / or functionally identical elements can be provided with the same reference numerals.
  • the absolute values and dimensions given below are only exemplary values and do not limit the invention to such dimensions.
  • TEM radiator a dual polarized microwave antenna radiator, called TEM radiator.
  • the field of application is the planar phased array antennas as used in the aeronautical or aerospace synthetic aperture radar systems (SAR) as a radiating element.
  • SAR aerospace synthetic aperture radar systems
  • microstrip patch or slotted waveguide antennas are commonly used, although they have some disadvantages that can be overcome with this new radiator type.
  • the required characteristics of the radiators are high electrical efficiency (low ohmic losses), sufficiently high bandwidth and cross-polar suppression. Additionally, for a flexible array antenna design, it is desirable to have emitters that are easily scalable in size.
  • microstrip patch is a radiator that is relatively easy to manufacture, even though electrical performance is limited by high resistive losses, which are particularly pronounced for longer radiator lengths. Consequently, the use of microstrip patches is limited to applications with short phase centers that are required only for a high resolution operating mode (e.g., Spotlight mode).
  • a high resolution operating mode e.g., Spotlight mode
  • the slotted waveguide antenna is a highly efficient radiator used in some Ramfahrt SAR missions (eg X-SAR, SRTM, TerraSAR-X). Dual polarization capability is achieved by a parallel waveguide concept in which two separate waveguides, one for each linear polarization, are aligned side by side. Because of the resonance behavior, the application of these emitters to narrow band Applications limited. In addition, its production is very expensive, since very high mechanical precision is required and the geometry of the radiator is very complex. With the trend in modern SAR systems towards higher bandwidths and lower cost of ownership, the slotted waveguide is becoming less and less attractive for future SAR missions. Instead, alternative radiator designs are required that combine the electrical performance of the slotted waveguide (high efficiency and polarization purity) along with low production costs. For this purpose, the TEM emitter has been developed.
  • the TEM emitter is an improvement on conventional slotted waveguide antennas. This improvement is achieved by adding an inner conductor (inner conductor, barline) into the waveguide, which is specially adapted for each polarization.
  • the inner conductor changes the basic electrical behavior of the waveguide.
  • the name "TEM emitter” comes from the electric modes that propagate in this waveguide, TEM means "transversal-electric-magnetic". A key feature of these fashions is that they are not dispersive.
  • the TEM emitter differs from conventional slotted waveguides based on TE modes, which exhibit dispersive behavior and whose resonance is highly dependent on the cross section of the waveguide. Depending on the cutoff frequency of the waveguide (cutoff), the dispersion considerably limits the achievable bandwidth.
  • the inner conductors in the TEM emitter can be easily produced by an etching or a milling process at very low cost.
  • the waveguides can be made of aluminum with an attractive property, such that several radiators are grouped together in a block (tile concept).
  • the detailed geometric configuration of TEM emitters is described below, starting with a separate description for each polarization (H / V poles). Then the configuration of the complete dual described polarized radiator. Finally, the measured electrical performance is shown.
  • the design is exemplarily designed for a spotlight in the X-band (center frequency: 9.65 GHz) and a spotlight length of 400 mm.
  • the radiator can be easily scaled to a different center frequency (eg C-band) or to other radiator lengths by changing the number of slots.
  • FIG. 1 shows a general perspective of the horizontally polarized waveguide 10.
  • the technique used in the design of an HP emitter follows the same principles as the VP emitter.
  • the external shape of the waveguide 10 corresponds to that of the HP radiator in the Terra-SAR X.
  • a coiled inner conductor 12 placed along a waveguide 10 on a dielectric layer is introduced (see FIG. 2).
  • Cross section The basis for the HP radiator is a conventional rectangular waveguide 10 having dimensions a h , (wide wall width) and b h (narrow wall width) as shown in FIG. All walls have a thickness w and the length of the waveguide 10 is defined by I.
  • the waveguide 10 is filled along its length with Eccostock Lok, a dielectric material with ⁇ r equal to 1.7.
  • the height of the dielectric is parameterized by h dlh . - slot design
  • transverse slots 14 In order to convert the rectangular waveguide 10 into a radiator, several transverse slots 14 have been cut into the top wall along the length of the waveguide 10 (see FIG. 4). A total of 16 slots 14 are placed symmetrically to the center of the waveguide 10, eight on each half of it. The distance d s ⁇ oth between the slots 14 is a line wavelength A. 9
  • the geometry of the transverse slots 14 is shown in FIG. As shown, the slot width is defined by w s ⁇ ot h, and the slot 14 is cut in the lateral wall of the waveguide 10 in a length l ov .
  • the inner conductor 12 in the HP waveguide is also not symmetrical. However, the asymmetries between the center of the waveguide 10 and the first slot 14 are set in each direction (see FIG. 6). That is, to simplify the design, we consider that the inner conductor 12 is symmetrical along both halves of the waveguide 10 from the first slot to the end of the inner conductor 12.
  • FIG. 7 shows a more detailed picture of the winding shape as well as the parameters used.
  • Figure 8 shows the winding section repeated along the whole waveguide, more specifically.
  • Figure 9 shows a general case of two inner conductor sections of width m which must be connected by a turn section. The parameters required to construct the winding section are the center c or the radius R and the angle ⁇ to be rotated.
  • two equal triangle legs (the side lengths m, m and 2 * a) can be defined in both straight line sections.
  • the "connecting edge” (also
  • the winding is repeated symmetrically along the waveguide 10 from the first slot 14.
  • the inner conductor 12 is bounded on both sides with an open line termination 20 of length l stUb h, as shown in FIG. - Waveguide feeding design
  • the feed 16 is not symmetrical in the longitudinal direction (z-axis), although the slots 14 are set symmetrically. It has been laid slightly to insert a phase of 180 ° between both halves of the waveguide 10. Thus, all slits 14 are excited with the same phase at the center frequency (see FIG. 11).
  • a coaxial feed 16 (SMA socket) is inserted into the waveguide and the center conductor is connected to the inner conductor feed circuit by means of a bore for the inner coaxial conductor.
  • the asymmetries in the inner conductor 12 are set between the center of the waveguide 10 and the first slit 14 in each direction.
  • the feed 16 has been routed through oe d along the + z axis.
  • the winding section is repeated along the waveguide 10 to the first slot 14 on the left and right of the feeding point 16. Because of the feed offset, one and a half turns are added to the right branch of the inner conductor 12 (-z-axis).
  • FIG. 14 is a general view of a vertically polarized waveguide
  • the inner structure with dielectric layer and inner conductor is shown in FIG.
  • the waveguide 10 is partially filled with a dielectric and it radiates thanks to an inner conductor 12 which is set along the waveguide length, which excites the longitudinal slots 14 which have been milled into the waveguide.
  • an inner conductor 12 which is set along the waveguide length, which excites the longitudinal slots 14 which have been milled into the waveguide.
  • the basis for the VP radiator is an ordinary rectangular waveguide 10 with edges a v (width ready width) and b v (narrow wall width) as shown in FIG. All its walls have a thickness of w and the length of the waveguide 10 is defined by I.
  • the waveguide 10 is filled along its length with Eccostock SH1, a dielectric material with ⁇ r equal to 1.04.
  • the height of the dielectric is parameterized by h d iv.
  • the electrical length between slots 14 is a line wavelength ⁇ g, therefore, the inner conductor parameters must be adjusted to obtain 360 degrees of phase difference between successive slots.
  • the shape of the slot 14 is shown in FIG. The slot ends are rounded, as this facilitates the milling process.
  • the radiator is powered by a coaxial feed 16 (SMA plug) placed in the middle of the waveguide 10, as shown in FIG.
  • the radius of the coaxial screen, the coax dielectric and the coaxial inner conductor are r ⁇ ) r d ⁇ or r s .
  • the feed 16 is inserted into the waveguide 10 with a height of the nut inside the waveguide h nu tv-
  • the coaxial inner conductor is above the ladder in the amount of l SO ⁇ ev addition.
  • FIG. 20 shows the plan view of the coaxial feed 16.
  • Figure 21 shows a plan view thereof. It consists of a coiled conductor followed by a straight piece, which is repeated periodically along the length of the waveguide 10.
  • the feeding point 16 is placed in the middle of the waveguide 10.
  • the inner conductor 12 is symmetrical with respect to the supply and is terminated with an open line termination whose length must be adjusted.
  • Figure 22 shows a more detailed picture of the winding shape as well as the parameters used for the design.
  • the original Cartesian coordinates are placed exactly in the middle of the waveguide length and show where the coaxial feed 16 is going.
  • the winding curves are designed to receive a current transversal to the slot 14. This transverse current excites the slot to radiate.
  • the inner conductor 12 has a width of w bar v and a thickness of foarv
  • the most difficult part of the design of the inner conductor 12 is the definition of the bent portions. For this, a suitable radius and a suitable center must be calculated in order to bring together both straight sections.
  • the VP waveguide requires three bent sections. They are designated in FIG.
  • the first (curvature) portion (1) also referred to by the reference numeral 30
  • the last (third curvature) portion (3) also denoted by the reference numeral 30
  • FIG. 25 shows a perspective view of the complete radiator. It can be seen how the VP waveguide and the HP waveguide of the same length I are aligned longitudinally (i.e., in the z direction). Both waveguides are displaced by an offset in the x and y directions.
  • the HP waveguide is shifted upward in the y direction by a distance of offsethp. This is necessary to expose the part of the slots cut into the side wall of the HP waveguide.
  • the adjustment is below -15dB at approximately 600 MHz centered at 9.65 GHz.
  • Figure 28 shows the isolation between H and V polarization. Sufficiently good values result, which are far below the typical required values (for example ⁇ -40 dB).

Landscapes

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

Abstract

Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Strahler umfassend - einen geschlitzten Hohlleiter (10) mit einer Mehrzahl von in dem Hohlleiter (10) angebrachten Schlitzen (14); und - einen in dem Hohlleiter (10) innen angebrachten zusätzlichen Innenleiter (12), der polarisationsabhängig derart geformt ist, dass alle Schlitze (14) des Hohlleiters (10) phasen- und amplitudengleich angeregt werden können.

Description

Hohlleiter-Strahler, insbesondere für Synthetik-Apertur-Radar-Systeme
Die Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Strahler, insbesondere für Synthetik- Apertur-Radar-Systeme, gemäß Anspruch 1.
Hohlleiter- oder Gruppenantennen-Strahler bzw. Strahlergruppen (Radiatoren) werden beispielsweise in Phased Array Antennen von Synthetik- Apertur-Radar (SAR)-Systemen mit einfacher und dualer Polarisation eingesetzt. Bisher werden als Strahler sog. Microstrip-Patch-Antennen oder geschlitzte Hohlleiterantennen verwendet. Erstere weisen hohe elektrische Verluste auf und sind durch ihr elektrisches Speisenetzwerk nicht effizient in größeren Strahlerlängen als ca. sieben Wellenlängen realisierbar (im X-Band ca. 20 cm). Letztere erfordern durch ihr elektrisch resonantes Verhalten eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit und sind als dual polarisierte Strahlergruppen nur sehr aufwendig reproduzierbar. Beispielsweise sind Hohlleiter mit Innenstegen für eine vertikale Polarisation bzw. schräg eingebrachte Drähte für eine horizontale Polarisation sowie komplizierte Hohlleiter-Einkopplungen erforderlich.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen effizienten und insbesondere kostengünstig implementierbaren Hohlleiter-Strahler, insbesondere für SAR-Systeme vorzuschlagen.
Diese Aufgabe wird durch einen Hohlleiter-Strahler, insbesondere für SAR- Systeme mit den Merkmalen nach Anspruch 1 gelöst. Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
Ein wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, als Strahler einen geschlitzten Hohlleiter zu verwenden, in dem ein zusätzlicher Innenleiter, eine sogenannte Barline angebracht ist. Dieser Innenleiter ist insbesondere polarisationsabhängig speziell geformt, um alle Schlitze des Hohlleiters phasengleich anzuregen. Zur Befestigung des Innenleiters kann eine Schicht Dielektrikum im Hohlleiter angebracht werden, auf dessen Oberseite der Innenleiter montiert ist, beispielsweise durch eine Klebung. Eine Einkopplung kann in der Strahlermitte durch einen direkten Koaxialübergang erfolgen, bei dem die Seele eines angekoppelten Koxialkabels mit dem Innenleiter verbunden ist.
Der erfindungsgemäße Gruppenantennen-Strahler eignet sich besonders gut für Phased Array Antennen von SAR-Systemen mit einfacher und dualer Polarisation, insbesondere für Strahler in satellitengestützten SAR-Systemen mit Receive-only Aperturen wie HRWS (High Resolution Wide Swath)-SAR- Systemen, evtl. für Strahler in C-Band-SAR-Systemen wie Sentinel 1 und für Strahler in X-Band Systemen ähnlich TerraSAR/Tandem-X.
Die Erfindung hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu herkömmlichen geschlitzten Hohlleitern die Ausbreitungsmoden nicht mehr dispersiv sind, sondern denen in Koaxialleitungen, d.h. TEM-Moden entsprechen. Hierdurch kann sich die Bandbreite erhöhen. Außerdem können die Querschnitte der Hohlleiter erheblich in ihrer Größe reduziert werden, da bei TEM-Moden keine untere Grenzfrequenz (sog. Cutoff) existiert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Resonanz unabhängig vom Querschnitt ist, womit sich Fertigungstoleranzen nicht mehr negativ auf die elektrische Performance auswirken. Ferner ist vorteilhaft, dass die Einkopplung bei der Erfindung durch einen direkten Koaxialübergang erfolgen kann, der mechanisch sehr einfach zu realisieren ist, beispielsweise durch handelsübliche SMA- Einbaubuchsen. Schließlich können mit der Erfindung gegenüber Mikrostrip- Patch-Antennen deutlich größere Strahlerlängen realisiert werden, beispielsweise bis etwa 80 cm im X-Band. Die Erfindung betrifft nun gemäß einer Ausführungsform einen Hohlleiter- Strahler, insbesondere für SAR-Systeme, umfassend
- einen geschlitzten Hohlleiter mit einer Mehrzahl von in dem Hohlleiter angebrachten Schlitzen; und - einen in dem Hohlleiter innen angebrachten zusätzlichen Innenleiter, der polarisationsabhängig derart geformt ist, dass alle Schlitze des Hohlleiters phasen- und amplitudengleich angeregt werden können.
In einer weiteren Ausführungsform kann der geschlitzte Hohlleiter teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt sein, auf dem der zusätzliche Innenleiter angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Ausführungsform eine einfache Herstellung und trotzdem robuste Anordnung des zusätzlichen Innenleiters in dem Hohlleiter ermöglicht.
Auch kann der zusätzliche Innenleiter in einer Ausführungsform eine gewundene Form aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch eine Anpassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in longitudinaler Richtung vorgenommen werden kann und damit der Phasenverlauf auf dem Innenleiter an den Abstand der Schlitze angepasst werden kann, so dass durch die gewundene Form sichergestellt wird, dass alle Schlitze des geschlitzten Hohlleiter-Strahlers phasengleich angeregt werden.
Ferner kann auch der zusätzliche Innenleiter unsymmetrisch sein. Dies bietet insbesondere dann einen Vorteil, wenn die Speisung des Hohlleiters in longitudinaler Richtung aus dem Zentrum versetzt ist. Hierdurch kann ein beliebiges Phasenverhältnis zwischen linker und rechter Hälfte des Hohlleiters eingestellt werden, insbesondere lässt sich eine phasengleiche Abstrahlung einer Welle aus allen Schlitzen des Hohlleiters erreichen.
Auch kann der geschlitzte Hohlleiter transversale Schlitze aufweisen, wodurch der Hohlleiter ausgebildet ist, um horizontal polarisierte Wellen abzustrahlen. Hierdurch lassen sich in Kombination mit dem Innenleiter eine hohe Effizienz und eine hohe Reinheit der horizontal polarisierten Welle sicherstellen. Weiterhin kann gemäß einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung eine Speisung des Hohlleiters in longitudinaler Erstreckungsrichtung unsymmetrisch angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil dass eine solche Speisung des Hohlleiters zwei Hälften desselben definiert, so dass ein auf dem zusätzlichen Innenleiter geleitetes Signal in den beiden Hohlleiter-Hälften eine voneinander unterschiedliche Phase aufweisen kann. Dies ermöglicht eine Anpassung des Strahlungsverhaltens von sich auf dem zusätzlichen Innenleiter von der Speisung in entgegengesetzten Richtungen fortbewegenden Wellen.
Auch ist es günstig, wenn die Speisung des Holleiters derart in demselben angeordnet ist, dass durch die Speisung zwei Hohlleiterabschnitte definiert werden, in denen sich bei Betrieb des Hohlleiters eine Welle mit einer Phasendifferenz von etwa 180° bezogen auf das Zentrum des Hohlleiters ausbreitet. Dies ermöglicht, dass alle Schlitze bei der Mittenfrequenz mit gleicher Phase angeregt werden, wodurch sich die hohe Reinheit des Strahlungsverhaltens eines solchen Hohlleiter-Strahlers erzielen lässt.
Der zusätzliche Innenleiter kann auch in einer weiteren Ausführungsform eine gewundene Form aufweisen. Die Länge und Anzahl der Windungsabschnitte ist dabei derart an den Abstand der Schlitze angepasst, so dass sich immer eine feste Anzahl von Windungsabschnitten zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen befindet. Insbesondere so, dass die gewundene Form in einem Windungsabschnitt einen Rotationswinkel phih und einen Radius Xh hat, bei dem
gilt, wobei meawh die transversale Ausprägung eines Windungsabschnitts und meaih die Länge eines Windungsabschnitts des zusätzlichen Innenleiters definiert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass sich durch geeignete Wahl der Windungsstärke und Anzahl der Windungsabschnitte des zusätzlichen Innenleiters zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen sicherstellen lässt, dass die gewünschte Anregung der einzelnen Schlitze in dem vorgegebenen Phasenverhältnis zueinander erfolgt.
Ferner kann in einer weiteren Ausführungsform der zusätzliche Innenleiter ausgehend von einem in einem Mittelbereich des zusätzlichen Innenleiters angeordneten Speisepunkt in Richtung der Hohlleiter-Enden eine Mehrzahl von gleichen Windungsabschnitten aufweisen. Dies unterstützt zusätzlich die gleichphasige Anregung der einzelnen Schlitze des Hohlleiters.
Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann zwischen dem Speisepunkt und einem ersten Windungsabschnitt des Innenleiters ein gerades Segment des Innenleiters angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass durch das Vorsehen eines solchen kurzen geraden Segments zwischen dem Speisepunkt und dem ersten Windungsabschnitt des Innenleiters eine fein einstellbare Abstimmung des Phasenganges einer Schwingung auf diesem Abschnitt des zusätzlichen Innenleiters möglich ist, ohne eine Korrektur oder Anpassung der Geometrie des Windungsabschnitts durchführen zu müssen.
In einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der Innenleiter im Bereich eines Endes des Hohlleiters ein gerades Innenleiter- Segment als offenen Leitungsabschluss aufweisen. Die elektrische Länge dieses Leitungsabschlusses ist dabei auf ein Viertel der Leitungswellenlänge dimensioniert. Damit lässt sich erreichen, dass die Stromüberhöhungen der sich ausbildenden stehenden Welle sich exakt unter den Schlitzen befinden und somit eine optimale Anregung der Schlitze zum Strahlen gewährleistet ist. Dies lässt sich durch den offenen Leitungsabschluss in Form des geraden Segmentes gut und einfach realisieren. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann der geschlitzte Hohlleiter longitudinal angeordnete Schlitze aufweisen, wodurch der Hohlleiter ausgebildet ist, um vertikal polarisierte Wellen abzustrahlen. Eine solche Ausführungsform der Erfindung bietet dann auch wieder den Vorteil, dass eine vertikal polarisierte Welle hoch-effizient und mit einem hohen Reinheitsgrad erzeugt und von dem Hohlleiter-Strahler abgestrahlt werden kann.
Günstig ist es auch, wenn der zusätzliche Innenleiter einen Speisepunkt aufweist, der mittig in dem geschlitzten Hohlleiter und symmetrisch zu den Schlitzen angeordnet ist. Dies ermöglicht bei longitudinal angeordneten Schlitzen in dem Hohlleiter eine Phasen-synchrone Anregung, so dass die einzelnen Schlitze eine Welle phasengleich abstrahlen.
Der zusätzliche Innenleiter kann in einer weiteren Ausführungsform eine gewundene Form mit einer Mehrzahl von Windungsabschnitten aufweisen. Hierdurch lässt sich vorteilhaft eine Anpassung der Wellenlänge einer auf dem zusätzlichen Innenleiter geführten Wellen an die Abstände der einzelnen Schlitze durchführen. Zusätzlich kann hierdurch erreicht werden, dass eine phasengleiche Abstrahlung aller Schlitze sichergestellt ist.
Auch kann ein Windungsabschnitt einen geraden Abschnitt und einen gekrümmten Abschnitt aufweisen. Insbesondere kann der gekrümmte Abschnitt eine transversale Führung einer sich auf dem zusätzlichen Innenleiter fortbewegenden Welle im Bereich der Schlitze bewirken, so dass durch den Stromfluß transversal zur Schlitzlänge eine optimale Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle durch den Schlitz sichergestellt wird.
Insbesondere kann der gekrümmte Abschnitt drei Krümmungsabschnitte aufweisen, von denen ein erster und dritter Krümmungsabschnitt je einen ersten bzw. dritten Krümmungsradius xi und einen ersten bzw. dritten Krümmungswinkel phi1v gemäß
und ein zwischen dem ersten und dritten Krümmungsabschnitt angeordneter zweiter Krümmungsabschnitt aus zwei Teilkrümmungsabschnitten mit jeweils einem zweiten Krümmungsradius X2 und einem zweiten Krümmungswinkel 5 phi2v gemäß
aufweist, wobei meavw die transversale Ausprägung des zweiten Krümmungsabschnitts und meadv die Länge der drei Krümmungsabschnitte des zusätzlichen Innenleiters definiert. Bei dieser Geometrie ergibt sich eineo transversale Ausprägung des ersten und dritten Krümmungsabschnitts, die genau halb so groß ist wie die transversale Ausprägung des zweiten Krümmungsabschnitts. Durch eine solche Geometrie im Bereich des gekrümmten Abschnitts des zusätzlichen Innenleiters verläuft dieser im mittleren Bereich des darüberliegenden Schlitzes transversal. Die hierdurch5 erzeugten transversalen Ströme regen den Schlitz zum Abstrahlen einer vertikal polarisierten Welle an.
Weiterhin kann der Innenleiter im Bereich eines Endes des Hohlleiters einen offenen Leitungsabschluss aufweisen, der einem Teil eines gekrümmteno Abschnittes mit einem ersten Krümmungsabschnitt, gefolgt von einem geraden Leitersegment und weiter gefolgt von einem zweiten Krümmungsabschnitt sowie einem weiteren geraden Innenleiter-Segment aufweist. Hierdurch wird eine Art „halber" Windungsabschnitt im Bereich eines Endes des Hohlleiters gebildet, so dass auch am Ende des Hohlleiters eine5 transversale Wellenführung und damit eine transversale Auslenkung des Wellenfeldes ermöglicht wird, so dass der äußerste Schlitz in gleicher Weise wie die sich davor befindenden Schlitze zum Strahlen angeregt wird. Der offene Leitungsabschluss ist dabei von seiner Länge so dimensioniert, dass die sich auf dem Innenleiter ausbildende stehende Welle Stromüberhöhungen an den transversal geführten Leitungsabschnitten mittig unter den darüberliegenden Schlitzen aufweist. Hierdurch wird ein optimales Abstrahlverhalten aller Schlitze sichergestellt.
Gemäß einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung weist ein Gruppenantennen-Strahler folgende Merkmale auf: - einen ersten Hohlleiter-Strahler, der ausgebildet ist, um bei einem Betrieb horizontal polarisierte Wellen auszugeben; und - einen zweiten Hohlleiter-Strahler, der ausgebildet ist, um bei einem Betrieb vertikal polarisierte Wellen auszugeben.
Weiterhin können der erste und zweite Hohlleiter-Strahler longitudinal zueinander ausgerichtet sein und eine gleiche Länge aufweisen. Hierdurch kann eine TEM-WeIIe durch die beiden Hohlleiter-Strahler in einem räumlich kleinen Bereich ausgegeben werden, so dass in einer größeren Entfernung von den Öffnungen der Hohlleiter-Strahler nicht mehr unmittelbar erkennbar ist, dass die TEM-WeIIe von den beiden Hohlleiter-Strahlern erzeugt wurde.
Auch kann der erste Hohlleiter-Strahler gegenüber dem zweiten Hohlleiter- Strahler horizontal und vertikal versetzt angeordnet sein. Hierdurch können vorteilhaft Einsatzparameter für den Gruppenantennen-Strahler variiert oder angepasst werden, die sich aus dem verwendeten Wellenlängen-Bereich ergeben, für den der Gruppenantennen-Strahler vorgesehen ist.
In einer anderen Ausführungsform der vorliegenden Erfindung kann ein elektrisch leitfähiges Material in dem durch den Versatz entstehenden Bereich angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass bei einem Versatz der beiden Hohlleiter-Strahler gegeneinander in dem durch den Versatz auftretenden Bereich keine Störstrahlungen entstehen können. Gemäß einer weiteren Ausführungsform der Erfindung ist eine Synthetik- Apertur (SAR)-Radarvorrichtung, insbesondere hochauflösende Synthetik- Apertur-Radarvorrichtung, vorgesehen, die einen Hohlleiter-Strahler nach der Erfindung oder einen Gruppenantennen-Strahler umfasst. Bei der SAR- Vorrichtung kann es sich insbesondere um ein HRWS-System handeln. Der Gruppenantennenstrahler kann hierzu insbesondere als Strahler für ein C- Band-SAR-System wie Sentinel 1 ausgebildet sein sowie als Strahler für ein X-Band System ähnlich TerraSAR/Tandem-X.
Weitere Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
In der Beschreibung, in den Ansprüchen, in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der hinten angeführten Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
Die Zeichnungen zeigen in:
Fig. 1 eine Ansicht eines horizontal-polarisierenden (HP-) Hohlleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 2 eine interne Konfiguration des in Fig. 1 dargestellten HP- Hohlleiters;
Figur 3 einen Querschnitt eines HP-Hohlleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 4 eine transversale Schlitzverteilung auf einem HP-Hohlleiter;
Figur 5 eine Übersicht über die Schlitzparameter auf einem HP-Hohlleiter; Figur 6 Asymmetrien zwischen der Mitte und dem ersten Schlitz in jeder Richtung;
Figur 7 eine Darstellung der geometrischen Parameter des HP- Innenleiterdesigns;
Figur 8 eine Darstellung eines Windungsabschnitts des HP-Innenleiters;
Figur 9 eine Darstellung der Geometrie der Windungslinie gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 10 einen offenen Leitungsabschluss am Ende eines Innenleiter-HP- Hohlleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung;
Figur 11 eine Darstellung des Versatzes einer HP-Hohlleiterspeisung;
Figur 12 eine Darstellung des Querschnitts einer Hohlleiter-Speisung;
Figur 13 eine Darstellung der Draufsicht der Hohlleiterspeisung;
Figur 14 eine Ansicht eines vertikal-polarisierenden (VP-) Hohlleiters;
Figur 15 eine Darstellung des inneren Aufbaus eines VP-Hohlleiters;
Figur 16 eine Querschnittsdarstellung durch einen VP-Hohlleiter;
Figur 17 eine Darstellung der Schlitz-Verteilung entlang einem VP- Hohlleiter;
Figur 18 eine Übersicht über die Schlitzparameter eines VP-Hohlleiters;
Figur 19 eine Seitenansicht der Geometrie einer Hohlleiterspeisung; Figur 20 eine Draufsichtdarstellung der Hohlleiterspeisung in Form einer Koaxialspeisung;
Figur 21 eine Darstellung einer Form eines Innenleiters in einem VP- Hohlleiter;
Figur 22 eine Übersicht über die geometrischen Parameter eines Innenleiter-Designs;
Figur 23 eine Darstellung von zwei ersten Windungsabschnitten eines Innenleiter-VP-Hohlleiters;
Figur 24 eine Darstellung eines offenen Leitungsabschlusses am Ende eines VP-Hohlleiters;
Figur 25 eine Ansicht eines HP-VP-Hohlleiters als Gruppenantennen- Strahler;
Figur 26 eine Übersicht über die geometrischen Parameter eines dualpolarisierten Strahlers;
Figur 27 eine graphische Darstellung der Reflexionsdämpfung in dB für einen VP- und einen HP-Strahler;
Figur 28 eine graphische Darstellung eines Kopplungsverhaltens zwischen VP- und HP-Strahler in dB;
Figur 29 eine graphische Darstellung der Direktivität eines HP-Strahlers im Azimuth-Fernfeld; und
Figur 30 eine graphische Darstellung der Direktivität eines VP-Strahlers im Azimut-Fernfeld. Im Folgenden können gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und Maßangaben sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
Die nachfolgenden Ausführungen beschreiben die Konfiguration eines dual polarisierten Mikrowellenantennenstrahlers, genannt TEM-Strahler. Das Anwendungsgebiet sind die planaren Phased-Array-Antennen, wie sie in den Synthetik-Apertur-Radarsystemen (SAR) der Luftfahrt oder Raumfahrt als strahlendes Element benutzt werden. Für diese Anwendungen werden gewöhnlich Mikrostreifen-Patch oder geschlitzte Hohlleiterantennen verwendet, obwohl sie einige Nachteile mit sich bringen, die mit dieser neuen Strahlerart überwunden werden können.
Die erforderlichen Eigenschaften der Strahler sind hohe elektrische Effizienz (niedrige ohmsche Verluste), ausreichend hohe Bandbreite und kreuzpolare Unterdrückung. Für ein flexibles Gruppenantennendesign ist es zusätzlich wünschenswert, Strahler zu haben, die leicht in der Größe skalierbar sind.
Das Mikrostreifen-Patch ist ein Strahler, der verhältnismäßig einfach herzustellen ist, auch wenn die elektrische Leistungsfähigkeit durch hohe ohmsche Verluste begrenzt wird, die für längere Strahlerlängen besonders ausgeprägt sind. Folglich ist der Einsatz von Mikrostreifen-Patches eingeschränkt auf Anwendungen mit kurzen Phasenzentren, die nur für einen hochauflösenden Betriebsmodus (z.B. Spotlight-Modus) erforderlich sind.
Die geschlitzte Hohlleiterantenne ist ein hoch effizienter Strahler, der in einigen Ramfahrt-SAR-Missionen zur Anwendung kam (z.B. X-SAR, SRTM, TerraSAR-X). Doppelpolarisationfähigkeit wird durch ein paralleles Hohlleiterkonzept erzielt, in dem zwei separate Hohlleiter, mit einem für jede lineare Polarisation, nebeneinander ausgerichtet sind. Wegen des Resonanzverhaltens ist die Anwendung dieser Strahler auf Schmalband- Anwendungen begrenzt. Zusätzlich ist seine Herstellung sehr teuer, da sehr hohe mechanische Präzision erforderlich ist und die Geometrie des Strahlers sehr komplex ist. Nachdem der Trend in modernen SAR-Systemen hin zu höheren Bandbreiten und zugleich niedrigeren Einsatzkosten geht, wird der geschlitzte Hohlleiter für zukünftige SAR-Missionen immer weniger attraktiv. Stattdessen sind alternative Strahlerdesigns gefordert, die die elektrische Leistungsfähigkeit des geschlitzten Hohlleiters (hohe Effizienz und Polarisationsreinheit) zusammen mit niedrigen Produktionskosten kombinieren. Zu diesem Zweck ist der TEM-Strahler entwickelt worden.
Der TEM-Strahler ist eine Verbesserung herkömmlicher geschlitzter Hohlleiter-Antennen. Diese Verbesserung wird erzielt, indem man einen inneren Leiter (Innenleiter, Barline) in den Hohlleiter hinzufügt, der für jede Polarisation speziell angepasst ist. Der innere Leiter ändert das grundlegende elektrische Verhalten des Hohlleiters. Der Name „TEM-Strahler" stammt von den elektrischen Moden, die sich in diesem Hohlleiter ausbreiten. TEM bedeutet „transversal-elektrisch-magnetisch". Eine Haupteigenschaft dieser Moden ist, dass sie nicht dispersiv sind. An diesem Punkt unterscheidet sich der TEM-Strahler von den herkömmlichen geschlitzten Hohlleitern die auf TE- Moden basieren, die dispersives Verhalten zeigen und deren Resonanz in hohem Maße vom Querschnitt des Hohlleiters abhängig ist. Abhängig von der Grenzfrequenz des Hohlleiters (Cutoff) schränkt die Dispersion erheblich die erreichbare Bandbreite ein.
Die Innenleiter im TEM-Strahler können durch einen Ätz- oder einen Fräsprozess leicht zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Die Hohlleiter können aus Aluminium mit einer attraktiven Eigenschaft gefertigt werden, derart, dass mehrere Strahler zusammen in einem Block gruppiert werden (Fliesen-Konzept).
Nachfolgend wird die detaillierte geometrische Konfiguration der TEM-Strahler beschrieben, beginnend mit einer separaten Beschreibung für jede Polarisation (H/V-pol.). Dann wird die Konfiguration des kompletten dual- polarisierten Strahlers beschrieben. Schließlich wird die gemessene elektrische Leistungsfähigkeit gezeigt. Das Design ist exemplarisch für einen Strahler im X-band (Mittelfrequenz: 9,65 GHz) und eine Strahlerlänge von 400 mm entworfen. Der Strahler kann leicht auf eine andere Mittenfrequenz (z.B. C-Band) oder auf andere Strahlerlängen skaliert werden, indem man die Zahl der Schlitze ändert.
Geometrische Beschreibung
In diesem Abschnitt wird eine Zusammenfassung aller Parameter und
Designverfahren von HP- und VP-Holleiter gegeben.
- Horizontale Polarisation (HP)
In Figur 1 wird eine allgemeine Perspektive des horizontal polarisierten Hohlleiters 10 gezeigt.
Die in den Entwurf eines HP-Strahlers angewendete Technik folgt den gleichen Prinzipien wie bei dem VP-Strahler. Die externe Form des Hohlleiters 10 entspricht der des HP-Strahlers im Terra-SAR X. Doch um die Schlitze anzuregen, wird ein entlang dem Hohlleiter 10 auf eine dielektrische Schicht aufgesetzter gewundener Innenleiter 12 eingeführt (siehe Figur 2).
Die folgenden Abschnitte geben eine ausführlichere Erklärung des HP- Hohlleiterdesigns.
- Querschnitt Die Grundlage für den HP-Strahler ist ein herkömmlicher rechteckiger Hohlleiter 10 mit Ausmaß ah, (breite Wandbreite) und bh (schmale Wandbreite) wie in Figur 3 gezeigt wird. Alle Wände haben eine Dicke w und die Länge des Hohlleiters 10 wird durch I definiert.
Außerdem wird der Hohlleiter 10 entlang seiner Länge mit Eccostock Lok, einem dielektrischen Material mit εr gleich 1.7 gefüllt. Die Höhe des Dielektrikums wird durch hdlh parameterisiert. - Schlitzdesign
Um den rechteckigen Hohlleiter 10 in einen Strahler umzuwandeln sind einige Querschlitze 14 in die obere Wand entlang der Länge des Hohlleiters 10 geschnitten worden (siehe Figur 4). Insgesamt 16 Schlitze 14 werden symmetrisch zur Mitte des Hohlleiters 10, acht auf jeder Hälfte von ihr, gesetzt. Der Abstand dsιoth zwischen den Schlitzen 14 ist eine Leitungswellenlänge A9.
Die Geometrie der transversalen Schlitze 14 wird in Figur 5 gezeigt. Wie gezeigt ist, ist die Schlitzbreite durch wsιoth definiert, und der Schlitz 14 wird in die seitliche Wand des Hohlleiters 10 in einer Länge lov geschnitten.
- Innenleiterdesign Da der Speisepunkt 16 nicht mitten in dem Hohlleiter 10 gesetzt wird, ist der Innenleiter 12 im HP-Hohlleiter auch nicht symmetrisch. Jedoch werden die Asymmetrien zwischen die Mitte des Hohlleiters 10 und dem ersten Schlitz 14 in jeweils jeder Richtung gesetzt (siehe Figur 6). Das bedeutet, um das Design zu vereinfachen berücksichtigen wir, dass der Innenleiter 12 entlang beiden Hälften des Hohlleiters 10 vom ersten Schlitz bis zum Ende des Innenleiters 12 symmetrisch ist.
Das Design des Innenleiters 12 zwischen den Mittelschlitzen wird nachfolgend beschrieben, wo die Speisung 16 des Hohlleiters 10 erklärt wird.
In Figur 7 ist ein ausführlicheres Bild der Windungsform, sowie der verwendeten Parameter gezeigt.
Um die Windung zu entwerfen, ist es nötig, einen passenden Drehungswinkel und die Mitte der Rotationsachse zu wählen. Figur 8 zeigt den Windungsabschnitt, der entlang dem ganzen Hohlleiter wiederholt wird, genauer. Bevor mit dem Leiter-Design fortgefahren wird, ist es interessant, die Ausdrücke im Detail zu sehen, die für die Berechnung des Radius und des Winkels verwendet wurden. Figur 9 zeigt einen allgemeinen Fall von zwei Innenleiterabschnitten mit Breite m, die durch einen Windungsabschnitt verbunden werden müssen. Die erforderlichen Parameter zur Konstruktion des Windungsabschnitts sind die Mitte c oder der Radius R und der Winkel φ, um den gedreht werden soll.
Entsprechend der vorhergehenden Geometrie können zwei gleichlange Dreieck-Schenkel (die Seitenlängen entsprechen m, m und 2*a) in beiden geraden Linien-Abschnitten definiert werden. Die „Verbindungskante" (auch
„join edge" genannt, wo die zwei Windungsabschnitte zusammengeführt werden) wird dadurch definiert, dass man die mittlere parallele Linie durch das
Parallelogramm heranzieht, das zwischen beiden Dreiecken gebildet wird. Diese Kante und die Verlängerung der schmalen Seite des Wellenabschnitts definieren den Umdrehungsradius.
Diese Geometrie beachtend, können einige Aussagen getroffen werden:
φ = 2a a = arc ♦tan— w d
a = m s\na b-2a
0 -
2 Daher kann φ leicht durch Gleichung (2.2) errechnet werden.
W
0? = 2cr = 2 -arctan— d (2.2)
Um R zu erhalten kann der Strahlensatz für die beiden gleichen Dreieck- Schenkel aus Figur 9 angewendet werden. Ia _ b
(2.3 ) m m+2r
Wird der Wert von r ausgerechnet und in (2.1) eingesetzt, wird der folgende Ausdruck erhalten:
Hieraus folgt:
n m w2 +d2
2 A-w ( 2 5 )
Der Geometrie-Erläuterung im vorhergehenden Abschnitt folgend, können insbesondere die Gleichungen (1.2) und (2.5), der Rotations-Winkel pΛ/h und der Radius xh wie folgt definiert werden:
Die Windung wird entlang des Hohlleiters 10 vom ersten Schlitz 14 an symmetrisch wiederholt. Der Innenleiter 12 ist auf beiden Seiten mit einem offenen Leitungsabschluss 20 der Länge lstUbh begrenzt, wie in Figur 10 gezeigt ist. - Hohlleiterspeisungsdesign
Im HP-Hohlleiter 10 ist die Speisung 16 in Longitudinalrichtung (z-Achse) nicht symmetrisch, obwohl die Schlitze 14 symmetrisch gesetzt werden. Sie ist etwas verlegt worden, um eine Phase von 180° zwischen beiden Hälften des Hohlleiters 10 einzufügen. So werden alle Schlitze 14 mit gleicher Phase bei der Mittenfrequenz angeregt (siehe Figur 11).
Abgesehen von diesem Versatz ist das Speisungsdesign genau dasselbe wie im Falle des VP-Hohlleiters. Eine Koaxialspeisung 16 (SMA-Buchse) wird in den Hohlleiter gesteckt und der Mittelleiter wird mit dem Innenleiter- Speisungskreis mittels einer Bohrung für den inneren Koaxialleiter verbunden.
In Figur 12 wird ein Querschnitt der Koaxialspeisung 16 gezeigt und die unterschiedlichen Designparameter werden eingeführt.
Wie vorstehend erläutert wurde, werden die Asymmetrien in dem Innenleiter 12 zwischen die Mitte des Hohlleiters 10 und den ersten Schlitz 14 in jeder Richtung gesetzt. Wie in Figur 13 zu sehen ist, ist die Speisung 16 durch ofeed entlang der +z-Achse verlegt worden. Der Windungsabschnitt wird entlang dem Hohlleiter 10 bis zum ersten Schlitz 14 links und rechts vom Speisungspunkt 16 wiederholt. Wegen des Speisungsversatzes werden eineinhalb Windungen dem rechten Zweig des Innenleiters 12 (-z-Achse) addiert.
Um die Koaxialspeisung 16 und den Innenleiter 12 zusammenzubringen, wird eine Leitung der Breite Wtm hinzugefügt und wird auf die Breite des Innenleiters wbarh konisch verjüngt. Diese Transformationsleitung ist in Bezug auf den speisenden Koaxialpunkt 16 symmetrisch. Schließlich wird ein gerader Abschnitt des Innenleiters 12 auf dem rechten Zweig hinzugefügt, um den Abstand zwischen der Speisung 16 und der Windung zu füllen. Vertikale Polarisation VP
In Figur 14 wird eine allgemeine Ansicht eines vertikal polarisierten Hohlleiters
10 gezeigt.
Der innere Aufbau mit dielektrischer Schicht und Innenleiter wird in Figur 15 gezeigt.
In diesem neuen Design wird der Hohlleiter 10 teilweise mit einem Dielektrikum gefüllt und er strahlt dank eines Innenleiters 12, der entlang der Hohlleiterlänge gesetzt wird, welcher die Längsschlitze 14 anregt, die in den Hohlleiter gefräst worden sind. In den folgenden Abschnitten ist eine ausführlichere Erklärung dieses VP-Hohlleiters gegeben.
- Querschnitt Die Grundlage für den VP-Strahler ist ein gewöhnlicher rechteckiger Hohlleiter 10 mit Kanten av (breite Wantbereite) und bv (schmale Wandbreite) wie in Figur 16 gezeigt ist. Alle seine Wände haben eine Dicke von w und die Länge des Hohlleiters 10 wird durch I definiert.
Außerdem wird der Hohlleiter 10 entlang seiner Länge mit Eccostock SH1 aufgefüllt, einem dielektrischen Material mit εr gleich 1.04. Die Höhe des Dielektrikums wird durch hdiv parameterisiert.
Schlitzdesign Um den rechteckigen Hohlleiter 10 in einen Strahler umzuwandeln, werden Longitudinalschlitze 14 in die obere Wand und entlang der Länge des Hohlleiters 10 und symmetrisch zum Speisepunkt 16 geschnitten wie Figur 17 zeigt.
Die elektrische Länge zwischen Schlitzen 14 ist eine Leitungswellenlänge λg, folglich müssen die Innenleiter-Parameter so justiert werden, dass 360 Grad Phasendifferenz zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen erhalten werden. Die Form des Schlitzes 14 wird in Figur 18 gezeigt. Die Schlitzenden sind abgerundet, da dies den Fräsprozess erleichtert.
- Hohlleiterspeisungsdesign Der Strahler wird durch eine Koaxialspeisung 16 (SMA-Stecker) versorgt, die mitten in den Hohlleiter 10 gesetzt wird, wie Figur 19 zeigt. Der Radius des Koaxial-Schirmes, des Koax-Dielektrikums und des Koax-Innenleiters sind r∞) rdι beziehungsweise rs. Die Speisung 16 ist in den Hohlleiter 10 eingefügt mit einer Höhe der Mutter im Inneren des Hohlleiters hnutv- Der Koax-Innenleiter steht über dem Leiter in Höhe von lSOιev hinaus.
Figur 20 zeigt die Draufsicht der Koaxialspeisung 16.
-Innenleiter-Design Anstatt einen geraden Innenleiter 12 zu verwenden, wurde ein komplexerer in einem Entwurf des Hohlleiters 10 verwendet. Figur 21 zeigt eine Draufsicht davon. Er besteht aus einem gewundenen Leiter, dem ein gerades Stück folgt, was periodisch entlang der Länge des Hohlleiters 10 wiederholt wird.
Im VP-Hohlleiter wird der Speisepunkt 16 in die Mitte des Hohlleiters 10 gelegt. So ist der Innenleiter 12 in Bezug auf die Zufuhr symmetrisch und wird mit einem offenen Leitungsabschluss abgeschlossen, dessen Länge angepasst werden muss.
In Figur 22 wird ein genaueres Bild der Windungsform, sowie die zum Entwurf verwendeten Parameter gezeigt. Die ursprünglichen kartesischen Koordinaten werden genau in der Mitte der Hohlleiterlänge gesetzt und zeigen, wohin die Koaxialspeisung 16 gesetzt wird. Die Windungskurven sind entworfen, um einen Strom transversal zum Schlitz 14 zu erhalten. Dieser transversale Strom regt den Schlitz zum Strahlen an. Der Innenleiter 12 hat eine Breite von wbarv und eine Dicke von foarv- Der schwierigste Teil des Designs des Innenleiters 12 ist die Definition der gebogenen Abschnitte. Hierzu muss ein geeigneter Radius und eine geeignete Mitte errechnet werden, um beide geraden Abschnitte zusammenzubringen. Im VP-Hohlleiter sind drei gebogene Abschnitte erforderlich. Sie werden in Figur 22 bezeichnet. Der erste (Krümmungs-) Abschnitt (1) (auch mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet) und der letzte (dritte Krümmungs-) Abschnitt (3) (ebenfalls mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet) haben den gleichen Radius und Winkel. Das bedeutet, dass nur zwei unterschiedliche Geometrien erforderlich sind, die eine für den ersten Teil der Windung und die andere für den zweiten Teil 32 (zweiten Krümmungsabschnitt) der Windung, wie Figur 23 zeigt.
Unter Berücksichtigung der Geometrien in Figur 23 und in Figur 9 und der Gleichungen (2.2) und (2.5), können der Radius und der Winkel für beide Windungsabschnitte wie folgt errechnet werden.
X1
(2.7)
(2.8)
Die Windung wird 6-mal entlang jeder Hälfte des Hohlleiters 10 wiederholt. Am Ende jeder Seite des Innenleiters 12 wird die Hälfte einer Windung hinzugefügt und der vollständige Innenleiter 12 wird mit einem offenen Leitungsabschluss der Länge Utubv beendet, wie Figur 24 zeigt.
Abschließende Strahlerkonfiguration gemäß einem Ausführungsbeispiel der vorliegenden Erfindung. Die Strahler für beide Polarisationen sind separat entworfen und simuliert worden, aber jetzt ist es notwendig, die vollständige Strahlerleistungsfähigkeit zu bewerten. Um den endgültigen dual-polarisierten Strahler zu erhalten ist es notwendig, beide Hohlleiter zusammenzusetzen. Hiermit befasst sich der nächste Abschnitt.
In Figur 25 wird eine perspektivische Ansicht des kompletten Strahlers gezeigt. Es ist ersichtlich, wie der VP-Hohlleiter und der HP-Hohlleiter mit der gleichen Länge I longitudinal (d.h. in z-Richtung) ausgerichtet sind. Beide Hohlleiter werden durch einen Versatz in x- und y-Richtung verschoben.
Beim Aufbau von Gruppenantennen werden mehrere dual-polarisierte Strahler in x- und y-Richtung aneinandergereit. Hierbei kann es erforderlich sein, den Abstand der Strahler größer zu wählen als deren tatsächliche Breite. Die hierbei enstehenden Lücken sollten durch elektrisch leitfähiges Material geeignet geschlossen werden um so unerwünschte Störstrahlungen zu unterdrücken. Der Abstand zweier Strahler in y-Richtung wird mit deι bezeichnet. Der Wert dieses Abstandes stammt aus den Anforderungen des SAR-Systems und bestimmt die Schwenkfähigkeit des Hauptstrahles der Gruppenantenne. Für eine Schwenkfähigkeit von ± 20 Grad ergibt sich hierbei ein Abstand deι von 22 Millimetern im X-Band. Da die Breite beider Hohlleiter 10 kleiner als deι ist, werden die Abstände zwischen den Hohlleitern 10 mit leitendem Material aufgefüllt.
Außerdem wird der HP-Hohlleiter in y-Richtung aufwärts um einen Abstand von offsethp verschoben. Dies ist erforderlich, um den in die seitliche Wand des HP-Hohlleiters eingeschnittenen Teil der Schlitze freizulegen.
Ergebnisse der elektrischen Vermessung
Nachdem das Design der HP- und VP-Strahler eingeführt wurde, ist es notwendig, die Leistung beider Hohlleiter zusammen auszuwerten. So werden die Anpassung und die Richtcharakteristik dieser Antenne durch elektrische Vermessung ermittelt. - Anpassung
Wie in Figur 27 gezeigt wird, liegt die Anpassung unter -15dB bei ca. 600 MHz zentriert um 9.65 GHz.
Figur 28 zeigt die Isolation zwischen H- und V-Polarisation. Es ergeben sich hinreichend gute Werte, die weit unter den typisch geforderten Werten (z.B. <- 4OdB) liegen.
- Richtcharakteristik Die gemessenen Richtcharakteristiken in Azimuth bei Mittenfrequenz von 9,65 GHz und den zwei Randfrequenzen von 9,35 und 9,95 GHz bei einer Bandbreite von 600MHz für HP- und VP-Strahler sind in Figur 29 und Figur 30 dargestellt.
Bezugszeichen
10 Hohlleiter 12 Innenleiter
14 Schlitze
16 Speisepunkt, Speisung
18 Windungsabschnitt
20 offenes Ende des Innenleiters 22 gerades Segment
24 erster Krümmungsabschnitt
26 gewundenes Element des Krümmungsabschnitts
28 gerades Element aus einem Windungsabschnitt
30 erster und dritter Krümmungsabschnitt 32 zweiter Krümmungsabschnitt

Claims

Patentansprüche
1. Hohlleiter-Strahler umfassend - einen geschlitzten Hohlleiter (10) mit einer Mehrzahl von in dem Hohlleiter (10) angebrachten Schlitzen (14); und einen in dem Hohlleiter (10) innen angebrachten zusätzlichen Innenleiter (12), der polarisationsabhängig derart geformt ist, dass alle Schlitze (14) des Hohlleiters (10) phasen- und amplitudengleich angeregt werden können.
2. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass der geschlitzte Hohlleiter (10) teilweise mit einem dielektrischen Material gefüllt ist, auf dem der zusätzliche Innenleiter (12) angeordnet ist.
3. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Innenleiter (12) eine gewundene Form aufweist.
4. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Innenleiter (12) unsymmetrisch ist.
5. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlitzte Hohlleiter (10) transversale Schlitze (14) aufweist, wodurch der Hohlleiter (10) ausgebildet ist, um horizontal polarisierte Wellen abzustrahlen.
6. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, dass eine Speisung des Hohlleiters (10) in longitudinaler Erstreckungsrichtung unsymmetrisch angeordnet ist.
7. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die Speisung des Holleiters derart in demselben angeordnet ist, dass durch die Speisung zwei Hohlleiter (10) abschnitte definiert werden, in denen sich bei Betrieb des Hohlleiters (10) eine Welle mit einer
Phasendifferenz von etwa 180° bezogen auf das Zentrum des Hohlleiters ausbreitet.
8. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die Länge und die Anzahl der Windungsabschnitte derart an den Abstand der Schlitze angepasst ist, so dass sich immer eine feste Anzahl von Windungsabschnitten zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen befindet.
9. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 5 bis 8, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Innenleiter (12) eine gewundene Form aufweist, die in einem Windungsabschnitt (18) einen Rotationswinkel phih und einen Radius Xh hat, bei dem
gilt, wobei meawh die Breite des zusätzlichen Innenleiters (12) in dem Windungsabschnitt (18) und meaιh die Länge des zusätzlichen Innenleiters (12) in dem Windungsabschnitt (18) definiert.
10. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 9, dadurch gekennzeichnet dass ausgehend von einem in einem Mittelbereich des zusätzlichen Innenleiters (12) angeordneten Speisepunkt (16) der Innenleiter (12) in
Richtung der Hohlleiter-Enden eine Mehrzahl von gleichen Windungsabschnitten (18) aufweist.
11. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 8 oder 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, dass zwischen dem Speisepunkt (16) und einem ersten Windungsabschnitt (18) des Innenleiters (12) ein gerades Segment des Innenleiters (12) angeordnet ist.
12. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 5 bis 11 , dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (12) im Bereich eines Endes des Hohlleiters (10) ein gerades Innenleiter-Segment als offenen Leitungsabschluss aufweist.
13. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass der geschlitzte Hohlleiter (10) longitudinal angeordnete Schlitze (14) aufweist, wodurch der Hohlleiter (10) ausgebildet ist, um vertikal polarisierte Wellen abzustrahlen.
14. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 13, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Innenleiter (12) einen Speisepunkt (16) aufweist, der mittig in dem geschlitzten Hohlleiter (10) und symmetrisch zu den Schlitzen (14) angeordnet ist.
15. Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, dass der zusätzliche Innenleiter (12) eine gewundene Form mit einer Mehrzahl von Windungsabschnitten (18) aufweist.
16. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 15, dadurch gekennzeichnet, dass ein Windungsabschnitt (18) einen geraden Abschnitt und einen gekrümmten Abschnitt aufweist.
17. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 15 oder 16, dadurch gekennzeichnet, dass der gekrümmte Abschnitt drei Krümmungsabschnitte aufweist, von denen ein erster und dritter Krümmungsabschnitt je einen ersten bzw. dritten Krümmungsradius X1 und einen ersten bzw. dritten
Krümmungswinkel phiiv gemäß
xt
und ein zwischen dem ersten und dritten Krümmungsabschnitt angeordneter zweiter Krümmungsabschnitt aus zwei Teilkrümmungs- abschnitten mit jeweils einem zweiten Krümmungsradius X2 und einem zweiten Krümmungswinkel phi2v gemäß
aufweist, wobei meawv eine Breite des zusätzliches Innenleiters (12) im gekrümmten Abschnitt und meadv eine Breite der Krümmungsabschnitte definiert.
18. Hohlleiter-Strahler gemäß Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass der Innenleiter (12) im Bereich eines Endes des Hohlleiters (10) einen offenen Leitungsabschluss aufweist, der einem Teil eines gekrümmten Abschnittes mit einem ersten Krümmungsabschnitt, gefolgt von einem geraden Leitersegment und weiter gefolgt von einem zweiten Krümmungsabschnitt sowie einem weiteren geraden Innenleiter- Segment aufweist.
19. Gruppenantennen-Strahler mit folgenden Merkmalen: einem ersten Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 5 bis 12; und einem zweiten Hohlleiter-Strahler gemäß einem der Ansprüche 13 bis
18.
20. Gruppenantennen-Strahler gemäß Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, dass der erste und zweite Hohlleiter-Strahler longitudinal zueinander ausgerichtet sind und eine gleiche Länge aufweisen.
21. Gruppenantennen-Strahler gemäß einem der Ansprüche 19 oder 20, dadurch gekennzeichnet, dass der erste Hohlleiter-Strahler gegenüber dem zweiten Hohlleiter-Strahler horizontal und vertikal versetzt angeordnet ist.
22. Gruppenantennen-Strahler gemäß Anspruch 21 , dadurch gekennzeichnet, dass ein elektrisch leitfähiges Material in dem durch den Versatz entstehenden Bereich angeordnet ist.
23. Synthetik-Apertur-Radarvorrichtung, insbesondere hochauflösende Syn- thetik-Apertur-Radarvorrichtung, umfassend einen Gruppenantennen- Strahler nach einem der vorhergehenden Ansprüche.
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