EP2689494B1 - Einrichtung zum modellieren von antennen-abstrahlcharakteristiken - Google Patents

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EP2689494B1
EP2689494B1 EP12713923.6A EP12713923A EP2689494B1 EP 2689494 B1 EP2689494 B1 EP 2689494B1 EP 12713923 A EP12713923 A EP 12713923A EP 2689494 B1 EP2689494 B1 EP 2689494B1
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EP
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waveguide
radiation
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space
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Achim Enders
Robert GEISE
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Technische Universitaet Braunschweig
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Technische Universitaet Braunschweig
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    • 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
    • H01Q13/10—Resonant slot antennas
    • H01Q13/18—Resonant slot antennas the slot being backed by, or formed in boundary wall of, a resonant cavity ; Open cavity antennas
    • H—ELECTRICITY
    • H01—ELECTRIC ELEMENTS
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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
    • H01Q13/22—Longitudinal slot in boundary wall of waveguide or transmission line
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    • H01Q21/0037—Particular feeding systems linear waveguide fed arrays
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    • H01Q3/00—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system
    • H01Q3/26—Arrangements for changing or varying the orientation or the shape of the directional pattern of the waves radiated from an antenna or antenna system varying the relative phase or relative amplitude of energisation between two or more active radiating elements; varying the distribution of energy across a radiating aperture
    • Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
    • Y10—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC
    • Y10T—TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER US CLASSIFICATION
    • Y10T29/00—Metal working
    • Y10T29/49—Method of mechanical manufacture
    • Y10T29/49002—Electrical device making
    • Y10T29/49016—Antenna or wave energy "plumbing" making

Definitions

  • the invention relates to a method and an arrangement for modeling antenna emission characteristics.
  • the invention relates to the use of slotted waveguides in which slit openings are formed along the longitudinal axis of a waveguide for directionally emitting electromagnetic radiation.
  • Slotted waveguides are known in the art.
  • the DE 102006057144 A1 a slotted waveguide for use as an antenna in radar systems.
  • the DE 101 26 469 A1 discloses a slot radiator element with a special internal structure, namely a web arranged in the waveguide with respect to the slot.
  • the US 7,355,555 discloses an antenna assembly without waveguide in the waveguide with additional feed network, which is based on a multi-layer structure. This antenna arrangement is customizable only with great effort.
  • the document US 5,726,666 describes an antenna arrangement with a plurality of waveguide antennas, which are supplied from a central feed point, but does not allow a targeted shaping of the radiation pattern.
  • slotted waveguides have been discussed and described in the pertinent literature, such as JD Kraus, Antennas, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1988, p. 628 ,
  • slotted waveguides with their particular waveguiding and electromagnetic scalability properties, are very well suited for modeling individual radiation characteristics over a frequency range whose upper limit is limited by the mechanical feasibility is limited.
  • the slot elements act as individual elements of a group antenna. By stimulating these elements differently, a diagram formation can be made.
  • the waveguide serves not only as a summary device of the individual radiator, he also takes over the virtually lossless and defined power supply of the individual elements - in contrast to an electronic control and / or additional feed network.
  • ILS instrument-based landing systems
  • the main beam direction can be set once and there is no need for a time-varying beam pattern as in beamforming.
  • the excitation amplitudes By adjusting the excitation amplitudes, one can individually pattern patterns for ILS of different airports without the disadvantages of electronic beamforming.
  • the conventional beam shaping can namely by electronic adjustment of the parameters only a limited extent a desired diagram shape can be achieved because on the one hand high circuit complexity and on the other hand not always unique calibration used to correct the crosstalk between the electronic components of the individual radiator and the individual radiator itself are required.
  • a waveguide with a mechanical diaphragm tolerates significantly more power than electronic components.
  • the setting of the amplitudes and phases initially becomes more difficult since the supply of the individual elements is dictated by the fundamental mode of the waveguide.
  • the object of the invention is to provide a cost-effective and flexible and accurate method and a corresponding device, which allow the modeling of desired antenna emission characteristics.
  • the invention allows the excitation of individual elements of a slotted waveguide as a group antenna in a flexible manner.
  • the waveguide or the waveguide array formed is excited, for example, by the H10 mode (in the rectangular waveguide).
  • the waveguide (and thus the antenna) is inventively separable in the modules and combined, without having to take into account a feed network. This is a significant advantage over assemblies that provide for feed network formation and feed network coupling.
  • the purely mechanical reconfigurability of the waveguide array antenna by arrangement and design of the individual modules thus always automatically includes the extension or change of the feed through the propagating in the waveguide mode.
  • the radiation characteristic of the entire array antenna is achieved by the design of the individual modules, so by the formation and alignment of the slots and by the arrangement of the aperture, as described below.
  • the invention makes use of the knowledge that not only the radiated amplitude but also the phase of the slot arrangements can be influenced. If a slotted waveguide is considered analytically, then this can be considered abstractly as a system combined from individual slit arrangements. Since the excitation of the individual slot arrangements, which are distributed along the waveguide, is effected by the waveguide in the waveguide in substantially the same way for all slots, each slot arrangement can first be separated independently of the slots others are considered. This segment-oriented consideration according to the invention allows the individual influencing of each of the slot arrangements (segments) to be largely independent of the other slot arrangements (segments) arranged next to it.
  • the radiation of each of the slot arrangements is now adjusted by varying both the coverage and the orientation depending on the desired radiation pattern. It has been shown that the change in the orientation of a slot arrangement, in particular the reflection of a slot structure on a plane through the longitudinal axis of the waveguide, results in a change in the phase of the radiation in this segment or this slot arrangement, which initially seems contradictory, since the feeding of the individual radiators through the fundamental mode, all individual radiators (slot arrangements) are excited in phase.
  • a phase adjustment is thus achieved when an oblique slot arrangement is mirrored to another, so "upside down” is made.
  • a 180 ° rotation corresponds to a mirroring of the slot arrangement with respect to a plane defined by the longitudinal axis of the waveguide and the radiation normals of the modules.
  • a first aspect of the invention is therefore to influence the amplitude and phase of each of the slot arrangements (segments of the waveguide) by selecting the coverage and the orientation of individual slot arrangements in a slotted waveguide having a plurality of slot arrangements.
  • the invention allows to provide a slotted waveguide with a predetermined radiation characteristic, wherein slot arrangements are arranged with the same shape, but different coverage and different orientation along the longitudinal axis of the waveguide.
  • a conductor can eg by milling appropriate Slot arrangements are created in a commercial waveguide. If the waveguide produced in this way is combined with variable, eg adjustable diaphragms, an extremely flexible antenna arrangement is created.
  • a plurality of (mechanical) modules are then used for the formation of the waveguide, which are arranged along a plurality of spatial directions and, if necessary, with other components, components of the boundaries of a slotted waveguide.
  • Slot groups are respectively arranged in the modules, so that the slots can be brought into any order by rearrangement of the modules and can be arranged in the desired number and extent.
  • the resulting waveguide may have any cross-section (e.g., rectangular, round, ellipsoid, etc.).
  • the modules can be changed in their orientation, for example, rotated, so be arranged in different orientations along the longitudinal axis.
  • modules of suitable dimensions eg, a dimension in the direction of the longitudinal axis of one wavelength of the mode in the waveguide
  • the desired slit pattern is formed by juxtaposing the modules.
  • the modules form part of the boundary of the waveguide, so that the slots are formed as openings in the waveguide.
  • the modules can be coupled directly to one another or to further components; according to the invention, it is merely necessary that a rearrangement of different modules with slot groups arranged therein is possible.
  • These modules correspond in their practical implementation and in coupling together to form a waveguide in the effect of the above-considered (abstract) segments of an integrally connected waveguide according to the invention with eg milled slot arrangements.
  • a modular system can be provided and used according to the invention for a given wavelength of radiation, the components of which can be used for the rapid and simple construction of a slotted microwave waveguide.
  • diaphragm modules or diaphragm components are part of this modular system, wherein the diaphragms can be arranged in front of the modules arranged along the longitudinal axis and depending on the desired radiation characteristic.
  • a suitable slotted antenna looks like that first of all the set of modules suitable for the intended excitation wavelength is selected with slots and the slotted modules are arranged along one or more spatial directions.
  • the radiation amplitude of the individual modules is finally achieved in the thus formed waveguide with the arrangement of the panels in front of the modules.
  • the optimization of the desired radiation pattern can be made according to the invention by rearranging or replacing corresponding apertures in front of the slot groups with simultaneous measurement.
  • An essential aspect of the invention when realized with separate mechanical modules is not to form the waveguide with its slotted openings as a whole and for a particular use, but to form the waveguide at least partially from interchangeable mechanical modules and so easy reordering of the slot openings allow.
  • An extremely flexible design of slotted waveguides is possible in this way and an in-situ optimization of the radiation characteristics can be achieved, since influence can be exerted on the radiation characteristic by simply exchanging modules or diaphragms.
  • the arrangement of the modules can be carried out, for example, for a linear, one-dimensional array antenna in the longitudinal direction of the waveguide, but it is basically also the arrangement in several spatial directions possible.
  • the modules can be arranged in several parallel spatial directions so as to form two-dimensional array antennas.
  • the modules can all be designed identically. However, it is also possible to use modules which, for example, have a multiple of the length of other modules.
  • the slot groups in the modules may be similar, with each slot group containing one or more slots. Analogously, this also applies to the panels, which are each designed to cover a predetermined portion of one or more modules. An aperture can thus extend over two adjacent radiation modules, the dimensions of the aperture are so far independent of the dimensions of the modules.
  • the modules can be designed in almost any shape. It must only be ensured according to the invention that the modules can be arranged and combined along the longitudinal axis of the waveguide, or along the propagation direction of the waveguide mode. There are therefore both flat, slotted plates as modules in question, which cover an opening in the waveguide and release only the slotted openings as well as slotted hollow body, which form a waveguide section even by lining up.
  • the modules are designed in such a way and are arranged along the longitudinal axis such that, at least in some of the modules, the slot openings run obliquely to the longitudinal axis of the waveguide.
  • the invention can be implemented with modules which each have only a single slot.
  • Each slot group then contains only a single slot.
  • the slot groups may also have multiple slots.
  • slit pairs which are arranged at an angle to each other can advantageously be used for certain applications.
  • the slots of these pairs of slots are also arranged at an angle oblique to the longitudinal axis of the waveguide, but in pairs opposite, thus forming, for example, a divergent or converging slot arrangement.
  • the slots arranged at an angle to one another can be integrated in a slot group on a module.
  • At least two identically designed modules are used, one of these modules being rotated through 180 ° about an emission axis.
  • This radiation axis is perpendicular to the slotted surface and the rotated module is arranged to the other, non-rotated similar module such that the slot arrangements of both modules for radiation in the same direction in space.
  • this rotation of a module is made such that when looking at the module and waveguide from the emission direction, a rotation of 180 ° about the emission axis is made.
  • the radiation direction is thus retained, but the slot arrangement is "turned upside down".
  • this rotation corresponds to a reflection of the slot arrangement with respect to a plane which is spanned by the longitudinal axis of the waveguide and the Abstrahlnormale the module.
  • the phase of the single radiator can go from 0 ° to 180 ° ° or vice versa.
  • all real amplitudes including negative values due to the phase rotation by 180 ° for each individual radiator can be adjusted.
  • the fact that all real amplitudes can be adjusted means, mathematically, that any radiation pattern can be realized that is mirror-symmetrical to the main axis of the antenna.
  • a diagram shaping or modeling of antenna emission characteristics is thus possible according to the invention by a purely mechanically configurable array antenna in the form of a slotted waveguide.
  • the system and method according to the invention is not subject to the difficulties and inaccuracies of an electronic array antenna and their limited power supply by the electronic components.
  • the system can be used to model antenna radiation characteristics. For example, radiation diagrams of real country instrument systems can be modeled very well in a suitably scaled measurement setup at approximately 16 GHz.
  • the invention is not in this sense limited. Due to the possibilities of the modular design, it is basically possible to make radiations in different spatial directions, ie, to arrange the modules at an angle to one another, so that radiation takes place in different spatial directions along the longitudinal extension of the waveguide, eg also in opposite directions. This possibility is also possible due to the modular construction concept of the microwave waveguide according to the invention.
  • the panels are each assigned to individual modules with slot groups arranged therein.
  • a diaphragm with an extension over a plurality of modules.
  • the height of the diaphragm that is to say the measure for the overlapping of the slots, must be selected such that the desired radiation characteristic is achieved.
  • a set of apertures is available and to be arranged according to the methods, which allows a selection of different aperture heights, that is different degrees of masking.
  • such a shutter may be selectively disposed at each of the opposite ends of the slots, thereby further influencing the modeling of the radiation characteristic.
  • panels may be arranged in front of one or more modules which are adjustable by means of adjusting means (micrometer screws coupled to the module, for example).
  • At least some of the diaphragms are provided with respective adjusting devices, and by acting on these adjusting devices, the degree of coverage of the diaphragms with the slots of the modules can be changed.
  • lateral rails on the modules can be arranged, in which the diaphragms (such as a slide in a recording of a projection device) can be pushed.
  • a micrometer screw sits above or below the module and can be actuated to adjust the aperture in the guide.
  • Such an adjustment may also be coupled to a drive, e.g. a stepper motor, so that preset aperture settings are available. In this way, different coverage schemes can be retrieved for a module composed waveguide, if previously stored in a controller.
  • a drive e.g. a stepper motor
  • a means for modeling antenna radiation characteristics wherein a plurality of radiation modules, each having a slit radiating surface, are included.
  • the emission modules are arranged to form a slotted waveguide along a spatial direction and, if appropriate, a changing propagation direction of a waveguide mode.
  • the device has a plurality of apertures, which are arranged to cover at least a portion of the slots in front of the radiating surfaces of the modules.
  • an exciter device is provided, which is arranged and excitable to excite a waveguide mode in the waveguide.
  • the waveguide is therefore made of separable and reassemblable mechanical components, some of which are the so-called radiation modules and others are the apertures, which can partially cover the slots of the perforated radiating surfaces.
  • the components are combined in the manner explained above to model any radiation pattern.
  • an elongated support is provided on or on which the emission modules are arranged along the longitudinal axis of the support in order to form the waveguide.
  • the carrier forms a continuous connection of the modules.
  • the carrier may be a rail on which the modules are plugged or pushed one behind the other and are connected to form a continuous waveguide.
  • the juxtaposition of the modules can be done via appropriate connection systems, with the largely radiation-tight connection of the individual modules is to ensure each other. This can be done, for example, via corresponding tongue and groove systems, wherein the modules are clamped together in the direction of the longitudinal axis and at the opposite ends of the waveguide via a corresponding clamping device.
  • any other connection mechanisms are possible.
  • the carrier itself is part of the boundary of the waveguide.
  • the carrier is designed as a U-profile, wherein the U-profile, for example, forms three sides of a rectangular waveguide.
  • the slotted radiating modules are placed in front of the free side of the U-profile to cover this open side except for the slotted recesses.
  • the coupling between the radiating modules and the U-profile in any way possible, e.g. by clamping with a corresponding clamping device, magnetic supports to produce the radiation-tightness by shaping the contact areas (e.g., tongue-and-groove system).
  • the carrier is designed as a C-profile, so as part of a round profile and the radiation modules are plugged as clips or rings on the C-profile. These radiation modules are then rotatable about the longitudinal axis of the C-profile and embrace the C-profile. In turn, diaphragms can be arranged in front of the emission modules. In this configuration, by rotating a radiation module, it can be achieved that the slot openings lie over a section of the C-profile which forms a wall of the waveguide. The waveguide is then dimmed completely in this longitudinal section against radiation leakage, since no portion of the slot openings is made to coincide with the free area of the C-profile.
  • the design of such a waveguide is extremely flexible and at the same time stable, since the individual components are securely held on the carrier.
  • the invention also allows arrangement of the modules along multiple axes. If a deflection device for the waves coupled into the waveguide is introduced between the modules, a corresponding arrangement is possible. For example, by means of a U-deflection, an arrangement of two or more rows of modules can be realized one above the other. An L-deflection or a 90 ° angle allows the formation of radiation along mutually perpendicular spatial axes. Corresponding deflection pieces are known in principle and can be combined to form complex radiation patterns with the modular design according to the invention, as will be explained below with reference to some embodiments. It would be conceivable, e.g. also a circular or polygonal arrangement of the modules.
  • FIG. 1a shows a first embodiment, which is suitable for the application of the method according to the invention and represents a slotted waveguide according to the invention.
  • a rectangular U-profile 1 is arranged with its longitudinal extent along a spatial axis, which forms the longitudinal direction of the waveguide.
  • an exciter device 2 is arranged, which is shown only schematically in the illustration.
  • For coupling an electromagnetic field into the waveguide basically any known and proven method of coupling into waveguides is applicable, as is also known to those skilled in the art.
  • a decentralized, lateral coupling can be made or, depending on the application, also a central or arranged at another position coupling.
  • the excitation device 2 can in principle be used in each of the legs of the profile 1.
  • the U-profile 1 forms three lateral boundaries of the waveguide and is open in this design at both longitudinal ends.
  • the open ends are closed by end covers 3a, 3b.
  • end covers 3a, 3b are similar in this representation, since their design is carried out according to the known structure of a waveguide. Accordingly, one of the covers, for example, acts like a desired short circuit at a distance of one quarter of the waveguide wavelength to the last slot element 3a.
  • a flange with coaxial waveguide (not shown), so that a low-reflection termination is realized.
  • the exact representation in the schematic view is omitted since these statements represent known prior art and are not essential to the invention.
  • each of the radiation modules 4 is provided with slotted openings which are formed symmetrically and obliquely with respect to a mirror axis.
  • the radiation modules 4 are arranged in front of the open side of the U-profile 1 so that the slots extend obliquely to its longitudinal extension. It can be seen that in this example the radiation modules 4 are arranged with different orientations, some with slit spacings reduced upwards and some with slit spacings which are widened upwards.
  • This reorientation ie a rotation of a single radiation module by 180 ° with respect to a transverse axis to the longitudinal axis of the U-profile 1 causes a phase shift by Pi with respect to the excitation of this module, ie the reversal of the sign of the amplitude for this module.
  • the radiation modules 4 are arranged symmetrically with respect to the center of the longitudinal extension of the waveguide. The left four modules are therefore mirror-symmetrical to the right four modules.
  • the modules are arranged in front of the open side of the U-profile and, together with the U-profile 1 and the ends 3a, 3b, form a slotted waveguide.
  • the points of contact between the modules 4 and the U-profile 1, the end pieces 3a, 3b and the U-profile 1 and the modules 4 and also the connection of the modules with each other is possible radiation-tight or interruption-free formed for the currents flowing on the waveguide surface.
  • the modules can be laterally equipped with grooves, so that in each case two modules are connected to one another by incorporating an insertion element in the adjacent grooves radiation-tight.
  • Suitable tongue and groove connections can also be formed between the U-profile 1 and the radiation modules 4.
  • any other connection concepts come into question, in particular canted connections.
  • each of the modules could also have more or fewer slots.
  • a total of six apertures 5 are arranged in front of the radiation modules 4. These diaphragms cover parts of the slotted openings in the radiation modules 4. The arrangement of the diaphragms is symmetrical with respect to a central axis of the waveguide.
  • FIG. 1b the modular waveguide is shown in mounted form.
  • the panels are positioned in front of the slotted openings and cover portions of the openings to model the desired radiation pattern.
  • the panels 5 are releasably secured in front of the radiation modules in any way.
  • the panels 5 are arranged, for example, with a releasable adhesive connection in front of the slot openings.
  • the panels can also be designed so that they surround the U-profile 1 as a multi-sided brackets or clips and provide a corresponding coverage of the slot openings.
  • an aperture can also completely cover a radiation module in order to completely prevent radiation in this area.
  • slotless module can be introduced.
  • various emission characteristics can be modeled in a simple manner by combining different slotted emission modules and diaphragms.
  • the dimension of the U-profile and the slotted Abstrahlmodule is of course matched to the wavelength of the mode to be excited in the interior of the waveguide.
  • the basic knowledge of waveguides and their dimensions in relation to the wavelength are known in the art and can be found, for example, the above-mentioned publications.
  • FIGS. 1a and 1b show a waveguide 6 according to the invention, wherein basically the same pattern of slit openings 7a, 7b was realized as in the embodiment of FIGS. 1a and 1b ,
  • the slots 7a, 7b are incorporated in a commercial waveguide by milling or other machining.
  • the waveguide is thus made "from the solid" and does not consist of mechanically decoupled modules.
  • this design again takes up the inventive, fundamental mathematical or model abstraction and segments of the waveguide in its design.
  • a (mathematical) segment is formed here in each case from a slot pair of the group 7a or 7b.
  • the pairs of slots 7a each have upwardly running slots.
  • the pairs of slots 7b run upwards apart.
  • Each of the pairs of slits 7a is mirror-symmetrical to each of the slit pairs 7b with respect to a plane through the longitudinal axis of the waveguide and the primary radiation direction. Compared to the emission of a 7a segment, this reorientation achieves a phase change from 0 to Pi or vice versa.
  • Such an integrally formed waveguide is more robust but less flexible than a conductor with separable mechanical modules.
  • the Abstrahlamplituden can also be subsequently largely varied.
  • FIGS. 2a and 2b show an alternative design of a device which is suitable for carrying out the method according to the invention and is designed according to the invention.
  • a round profile is designed as a C-profile 10 which is open laterally along the longitudinal axis.
  • the Exciter device is not visible in this illustration, but is in principle to arrange in a similar manner as in the previous embodiment.
  • the radiation modules 11 are formed in this example as rings with slotted openings.
  • the open inner diameter of the Abstrahlmodule 11 is matched to the outer diameter of the C-profile 10, so that the rings can be pushed onto the profile 10 and by rotation, on the profile 10 slidably rotatable about the longitudinal axis of the profile 10.
  • the Abstrahlmodule 11 can be withdrawn laterally from the profile again to change the orientation of the slot arrangements.
  • the slot openings are located in front of the open side of the C-profile 10 or over a wall surface of the profile.
  • active and passive radiating areas can be created (in an alternative design could be arranged in each of the radiation modules different, offset along the circumference slit groups, depending on the Drehauscardi, with the opening in the profile 10 to cover - then, if necessary even a lateral removal of the radiation profiles no longer necessary).
  • the lateral end terminations 12a and 12b are matched in diameter to the diameter of the radiation modules 11. Between the emission modules themselves, the most radiation-tight and conductive connection possible is ensured in each case in order, on the one hand, to enable the rotation of the modules relative to one another and, on the other hand, to ensure the radiation-tightness of the system in this contact region. For this purpose, in turn, the formation of a tongue and groove connection along the circumference is possible.
  • the diaphragms for the individual radiation modules 11 are designed as diaphragm clips 13. These are in turn pushed over the radiation modules 11 and are also rotatable about the longitudinal axis of the waveguide to cover a portion of the slot openings in the radiation modules 11.
  • the assembled design is in FIG. 2b shown.
  • the thus realized waveguide is suitable by simple twisting to model numerous radiation patterns. If necessary, Of course, other components can improve the stability of such a structure.
  • axially arranged spring-loaded terminals can fix the entire structure in the axial direction, while still allowing rotation of the individual radiation modules 11 against each other.
  • the above-described embodiment can be realized within the scope of the invention without a C-profile as a carrier.
  • the individual radiation modules are then interconnected e.g. coupled by circumferential tongue and groove connections or provided with other known and mutually rotatable connections.
  • an external fixation or tensioning device can ensure the axial cohesion of the modules.
  • a design can be realized in which the circular modules can be coupled in discrete angular positions. So then it is not necessary to provide a rotary joint, but it can each module from a neighboring axially separated and coupled in another orientation (rotated by an angular amount) again with this.
  • FIG. 3a finally shows a mechanically realizable radiation module with a slot group which is designed as a cuboid element that is open on opposite sides. An arrangement of a plurality of these parallelepiped elements next to each other forms the desired waveguide.
  • the cuboid 20 is formed with a slot group 21 and the cuboid 20 has openings 22, over which with pins 23 a connection of the cuboid elements is made possible with each other.
  • FIG. 3b shows a corresponding arrangement, wherein in front of the individual cuboid elements 20 in turn apertures 25 are arranged with different dimensions.
  • Lateral terminations 26A, 26B close the waveguide by conventionally coupling electromagnetic radiation exiting the open slot groups in the desired modeled shape.
  • For coupling special Abstrahlmodule be provided with appropriately suitable coupling devices, which are placed in the end or in the central region.
  • To prefer here are commercial transitions of Coaxial high-frequency cables (eg in SMA technology) on the fundamental mode of the waveguide.
  • FIGS. 4a and 4b Another embodiment of the method and the device according to the invention is in the FIGS. 4a and 4b shown.
  • two waveguides 30, 31 are arranged parallel to one another.
  • an offset in the direction of the array extension (that is to say in the longitudinal direction) of half of the waveguide wavelength is provided.
  • a deflection piece 32 in the form of a U-waveguide ensures that both waveguides are fed by the same excitation or mode and the two waveguides are excited in phase.
  • the individual diagrams of the two offset waveguide arrangements 30, 31 overlap constructively, since in the far field the distance (parallel offset) between the U-legs is insignificant.
  • the blasted fields are destructively superimposed, so that these unwanted side lobes disappear, which can also be shown mathematically using the array factor.
  • the U-conductor 32 is provided with coupling pieces of different lengths, whose difference in length amounts to a half waveguide wavelength.
  • the two Holleiteran elbowen 30, 31 with the pairs of slots are formed identically, insbesondre are also the panels before the slots arranged in pairs the same.
  • FIG. 5 shows the alternative construction of a device according to the invention.
  • An elongate U-profile 40 forms a three-sided boundary for the waveguide.
  • two L-shaped receptacles 41, 42 are mounted at the top and bottom of the two U-legs, which on the open side of the U-profile a gap between L-receptacles and end faces of the legs of the U-profile 40th form.
  • This gap is adapted in its width to the thickness of the modules 45 with the pairs of slots.
  • the modules 45 here designed as metal disks with slot pairs, are inserted laterally into the gap space, wherein their orientation for setting the phase is freely selectable.
  • the two outer inserts 47 are fixed with screws on the U-profile 40, so that the modules can not slip laterally between them.
  • Apertures 46 which determine the amplitude of each single radiator module 45, are placed at the top or bottom of the receiver. There they are also fastened with screws or clamped in their position.
  • FIG. 6a and 6b Lines four single-beam modules 50a, 50b, 50c, 50d such that vertically polarized radiation is emitted in a linear, one-dimensional array.
  • the modules are coupled by U-connectors 51a, 51b, 51c with angled cross section.
  • the amplitude can be adjusted by an applied aperture and the phase (0 ° or 180 °) can be influenced by turning a module.
  • modules and diversions are each formed identically.
  • the modules can be arranged at distances that are smaller than the free space wavelength and also generate vertical polarization.
  • an array antenna shown as an embodiment consists of four individual radiators 60a, 60b, 60c, 60d, with two opposing single radiators (60d and 60b) having the same polarization (horizontal), while the other pair (60a and 60c) also orthogonal polarization by the orthogonal configuration (vertical) has.
  • the individual radiators 60a, 60b, 60c, 60d each with 90 ° arc conductors 61a, 61b, 61c, which are designed so that they excite successively arranged individual radiators with a phase shift of 90 ° to the previous. Physically, this creates a circular radiation behavior.
  • Opposite modules (60b-60d or 60a-60c) have by the deflections a phase offset of 180 °, so that for in-phase excitation a module must be rotated by 180 ° according to the invention.
  • the vertical polarization is 90 ° before the horizontal polarization, so that left circular polarization is produced by this feed.
  • the horizontal polarization is first excited, so that right-circular polarization follows. If one feeds in module 60a and at the same time terminates module 60d with a short circuit, only linear, vertical polarization remains, since module 60b and module 60d pass through the deflections and the short circuit both with the phase 0 ° and with the phase 180 ° be stimulated. Accordingly, when supplied in module 60d with a short circuit to module 60a, linear, horizontal polarization is obtained.
  • Elliptical polarization can also be set by adjusting the excitation ratio by diaphragms on the respective module pairs. Adjusting the excitation amplitudes for the Horizontal or vertical modules can also be used to optimize the axis ratio of the circular polarization.
  • circular or elliptical polarization can also be performed with only two modules, e.g. 60a and 60b possible.
  • the pairwise modules partially compensate for the fact that one module always decouples some power and the following module is then stimulated with correspondingly less power.
  • the arrangement with four modules actually axis ratios of almost 0 dB can be set.
  • waveguide switches that could fit in the corner and make the described polarization types by switching.
  • a generic antenna is provided which can produce all types of polarization by switching.
  • the modules and associated components such as bezels and supports may be made of any materials as long as they provide suitability for proper operation of a waveguide.
  • the device can also be used for waveguides of very different geometries and dimensions. It is essential that a waveguide with almost any radiation characteristic can be realized by the modular combination of components, whereby even the phase of each of the radiation modules as needed (to 0 or Pi) to choose, so that all real amplitudes for each individual radiator are feasible and therefore all Abstrahldiagramme, which are mirror-symmetrical to the emission axis, so over the emission angle are an even function, can be generated.

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Description

  • Die Erfindung betrifft ein Verfahren und eine Anordnung zum Modellieren von Antennen-Abstrahlcharakteristiken. Insbesondere betrifft die Erfindung die Verwendung von geschlitzten Hohlleitern (slotted waveguides), bei welchen entlang der Längsachse eines Wellenleiters Schlitzöffnungen ausgebildet werden, um gerichtet elektromagnetische Strahlung abzugeben.
  • Geschlitzte Hohlleiter sind in der Technik bekannt. Beispielsweise offenbart die DE 102006057144 A1 einen geschlitzten Hohlleiter zur Anwendung als Antenne in Radarsystemen.
  • Die DE 101 26 469 A1 offenbart ein Schlitzstrahlerelement mit einem besonderen inneren Aufbau, nämlich einem im Hohlleiter gegenüber dem Schlitz angeordneten Steg.
  • Die US 7,355,555 offenbart eine Antennenanordnung ohne Wellenführung im Hohlleiter mit zusätzlichem Speisenetzwerk, welches auf einem mehrschichtigen Aufbau beruht. Diese Antennenanordnung ist nur mit hohem Aufwand individuell anpassbar.
  • Das Dokument US 5,726,666 beschreibt eine Antennenanordnung mit mehreren Hohlleiter-Antennen, die von einem zentralen Speisepunkt versorgt werden, allerdings keine gezielte Formung des Abstrahldiagramms zulässt.
  • Auch sind geschlitzte Hohlleiter in der einschlägigen Fachliteratur diskutiert und beschrieben worden, wie beispielsweise bei J.D. Kraus, Antennas, 2nd edition, McGraw-Hill, New York, 1988, p. 628.
  • Frühere Arbeiten, an denen auch die Erfinder beteiligt waren, haben gezeigt, dass geschlitzte Hohlleiter mit ihren besonderen Eigenschaften der Wellenführung und der elektromagnetischen Skalierbarkeit sehr geeignet sind, individuelle Abstrahlcharakteristiken über einen Frequenzbereich zu modellieren, dessen obere Grenze lediglich durch die mechanische Realisierbarkeit eingeschränkt ist. Die Schlitzelemente wirken als Einzelelemente einer Gruppenantenne. Indem diese Elemente unterschiedlich angeregt werden, kann eine Diagrammformung erfolgen. Der Hohlleiter dient dabei nicht nur als zusammenfassende Einrichtung der Einzelstrahler, er übernimmt auch die nahezu verlustfreie und definierte Speisung der Einzelelemente - im Gegensatz zu einer elektronischen Ansteuerung und / oder zusätzlichem Speisenetzwerk. Hier ist insbesondere die Anwendung für skalierte Messungen mit Instrument gestützten Landesystemen (ILS) zu erwähnen. Ein solches Verfahren wurde beispielsweise beschrieben in R. Geise, J. Schueuer, L. Thiele, K. Notte, T. Beckers, A. Enders, "A slotted waveguide setup as scaled instrument-landing-system for measuring scattering of an A380 and large objects", EUCAP 2010, 12.-16. April 2010, Barcelona, Spanien.
  • Zu den Möglichkeiten und technischen Details sowie Ergebnissen von vorgenommenen Messungen wird auf "Skalierte Messungen zu bistatischen Radarquerschnitten und Landekursverfälschungen des ILS", Dissertation von R. Geise, Cuvillier Verlag, ISBN 9783869555706 verwiesen.
  • Es wurde festgestellt, dass ein derartiger Aufbau die üblichen komplexen und deutlich kostenintensiveren Verwendungen von Gruppenantennen für einige Anwendungen ersetzen kann. Zum Beispiel kann in dem Fall eines skalierten Instrumentenlandesystems (ILS) die Hauptstrahlrichtung einmalig festgelegt werden und es bedarf keines zeitlich schnell veränderbaren Abstrahldiagramms wie beim Beamforming. Durch Einstellen der Anregungsamplituden kann man individuell für ILS verschiedener Flughäfen ein Pattern-Forming vornehmen ohne die Nachteile eines elektronischen Beamformings. Bei dem herkömmlichen Beam-Forming kann nämlich durch elektronisches Einstellen der Parameter nur in begrenztem Maß eine gewünschte Diagramm-Form erreicht werden, da einerseits hoher Schaltungsaufwand und andererseits nicht immer eindeutige Kalibrierverfahren Verwendung finden, die zur Korrektur des Übersprechens zwischen den elektronischen Komponenten der Einzelstrahler und der Einzelstrahler selbst erforderlich sind. Ein Hohlleiter mit mechanischer Blende verträgt deutlich mehr Leistung als elektronische Komponenten. Allerdings gestaltet sich bei einem geschlitzten Hohlleiter das Einstellen der Amplituden und Phasen zunächst schwieriger, da die Speisung der Einzelelemente durch die Grundmode des Hohlleiters vorgegeben wird.
  • Zur Einstellung einer gewünschten Abstrahlcharakteristik bzw. eines Strahlungsmusters (radiation pattern) erforderlichen Berechnungen können grundsätzlich mit bekannten Simulationsprogrammen für elektromagnetische Fragestellungen durchgeführt werden. Dabei wird im Wesentlichen nur das Layout eines (einzigen) Schlitzpaares simuliert und optimiert. Die erforderlichen Anregungsamplituden und Phasen können durch Fourier Transformation aus den gewünschten Fernfelddaten gewonnen werden. Entsprechend dieser Vorgaben der Simulation ist dann ein Schlitzmuster in einem Hohlleiter zu erstellen. Gemäß dem vorstehend genannten Stand der Technik können die Abstrahlamplituden der Schlitzanordnungen beeinflusst werden, indem die Schlitze teilweise durch metallische Abdeckungen bzw. Blenden überdeckt werden. Trotz der vielversprechenden Ergebnisse, ist das Modellieren von Strahlungsmustern mit geschlitzten Hohlleiten jedoch ein Verfahren, welchen für jeden Anwendungsfall eine präzise Fertigung und Berechnung von geeigneten Hohlleiter- bzw. Schlitzgeometrien erfordert.
  • Aufgabe der Erfindung ist es, ein kostengünstiges und flexibles sowie genaues Verfahren und eine entsprechende Einrichtung zur Verfügung zu stellen, welche die Modellierung von gewünschten Antennen-Abstrahlcharakteristiken erlauben.
  • Diese Aufgabe wird gelöst durch eine Einrichtung mit den Merkmalen des Patentanspruchs 1.
  • Die Erfindung erlaubt auf flexible Weise die Anregung von Einzelelementen eines geschlitzten Hohlleiters als Gruppenantenne.
  • Die Verwendung eines Hohlleiters als Zusammenfassung der Einzelstrahler einer Gruppenantenne, in welchen die Anregung als elektromagnetische Welle eingespeist wird, macht zunächst eine äußerst einfache Speisung der gesamten Gruppenantenne möglich. Durch die mechanische Kopplung der erfindungsgemäßen Module wird eine einfache, z.B. endseitige Speisung ermöglicht. Es entsteht ein durchgehender Raum, in dem sich die eingespeiste Welle gemäß physikalischen Randbedingungen des Hohlleiters als so genannte Mode ausbreitet. Die Schlitze in dem durch Kopplung der Module entstandenen Hohlleiter werden alle durch dieselbe Einspeisung, also durch dieselbe fortlaufende Mode, versorgt. Ein wesentlicher Vorteil besteht also in dem Ansatz, eine einfache Speisung eines Hohlraumes zu verwenden, wobei dieser Hohlraum jedoch wenigstens teilweise durch mechanisch trennbare und koppelbare Module gebildet wird. Die Ausbildung eines zusätzlichen Speisenetzes ist dadurch überflüssig. Der Hohlleiter oder das gebildete Hohlleiter-Array wird z.B. durch die H10-Mode (beim Rechteckthohlleiter) angeregt. Der Hohlleiter (und damit die Antenne) ist erfindungsgemäß trennbar in die Module und kombinierbar, ohne auf ein Speisenetzwerk Rücksicht nehmen zu müssen. Dies ist ein wesentlicher Vorteil gegenüber Aufbauten, die eine Speisenetzwerkausbildung und Speisenetzwerkkopplung vorsehen. Die rein mechanische Rekonfigurierbarkeit der Hohlleiter-Gruppenantenne durch Anordnung und Gestaltung der einzelnen Module beinhaltet also immer automatisch auch die Erweiterung bzw. Änderung der Speisung durch die sich im Hohlleiter ausbreitende Mode.
  • Die Abstrahlcharakteristik der gesamten Gruppenantenne wird durch die Gestaltung der einzelnen Module erreicht, also durch die Ausbildung und Ausrichtung der Schlitze sowie durch die Anordnung der Blenden, wie unten beschrieben.
  • Die Erfindung macht sich die Erkenntnis zu Nutze, dass nicht nur die abgestrahlte Amplitude, sondern auch die Phase der Schlitzanordnungen beeinflusst werden kann. Wird ein geschlitzter Hohlleiter analytisch betrachtet, so kann dieser abstrakt als aus einzelnen Schlitzanordnungen kombiniertes System betrachtet werden. Da die Anregung der einzelnen Schlitzanordnungen, welche längs des Hohlleiters verteilt angeordnet sind, durch die Wellenleitung im Hohlleiter im Wesentlichen in gleicher Weise bei allen Schlitzen erfolgt, kann zunächst jede Schlitzanordnung einzeln, unabhängig von den anderen betrachtet werden. Diese erfindungsgemäße, segmentorientierte Betrachtung erlaubt die einzelne Beeinflussung jeder der Schlitzanordnungen (Segmente), weitgehend unabhängig von den daneben angeordneten anderen Schlitzanordnungen (Segmenten). Erfindungsgemäß wird nun die Abstrahlung jeder der Schlitzanordnungen angepasst, indem sowohl die Abdeckung als auch die Orientierung in Abhängigkeit von dem gewünschten Strahlungsmuster variiert werden. Es hat sich nämlich gezeigt, dass die Änderung der Orientierung einer Schlitzanordnung, insbesondere die Spiegelung einer Schlitzstruktur an einer Ebene durch die Längsachse des Wellenleiters, eine Veränderung der Phase der Abstrahlung in diesem Segment bzw. dieser Schlitzanordnung zur Folge hat, was zunächst widersprüchlich erscheint, da durch die Speisung der Einzelstrahler durch die Grundmode alle Einzelstrahler (Schlitzanordnungen) gleichphasig angeregt werden.
  • Eine Phaseneinstellung wird demnach erreicht, wenn eine schräge Schlitzanordnung zu einer anderen gespiegelt, also "auf den Kopf" gestellt wird.
  • Bei den zu diesem Zweck bevorzugt eingesetzten (siehe oben erwähnten Stand der Technik) symmetrischen Schlitzanordnungen, entspricht eine Drehung um 180° einer Spiegelung der Schlitzanordnung bezüglich einer Ebene, welche durch die Längsachse des Wellenleiters und die Abstrahlnormale der Module aufgespannt ist.
  • Ein erster Aspekt der Erfindung besteht also darin, durch Wahl der Abdeckung und der Orientierung einzelner Schlitzanordnungen in einem geschlitzten Hohlleiter, welcher mehrere Schlitzanordnungen aufweist, die Amplitude und Phase jeder der Schlitzanordnungen (Segmente des Hohlleiters) zu beeinflussen.
  • Mit diesem Vorgehen erlaubt die Erfindung, einen geschlitzten Hohlleiter mit vorgegebener Abstrahlcharakteristik bereitzustellen, wobei Schlitzanordnungen mit gleicher Form, aber unterschiedlicher Abdeckung und unterschiedlicher Orientierung entlang der Längsachse des Hohlleiters angeordnet werden. Ein solcher Leiter kann z.B. durch Fräsen entsprechender Schlitzanordnungen in einem handelsüblichen Hohlleiter erstellt werden. Wird der so erstellte Hohlleiter mit variablen, z.B. verstellbaren Blenden kombiniert, so ist eine äußerst flexible Antennenanordnung geschaffen.
  • Auch wenn bereits diese erfindungsgemäße Ausbildung geschlitzter Hohlleiter besondere Vorteile in der Anpassbarkeit gegenüber den bekannten geschlitzten Hohlleitern bietet, ist gemäß dem Gedanken der Erfindung die geschilderte, abstrakte segmentweise Betrachtung (mit jeweiliger Amplituden- und Phasenanpassung jedes Segments) nicht auf einen in der Realität integral verbundenen (nicht-segmentierte) Hohlleiter beschränkt. Die abstrakte Vorstellung und Betrachtung von einzelnen Segmenten wird vielmehr in einer möglichen Ausgestaltung der Erfindung auch in einen mechanisch segmentierten Hohlleiter umgesetzt. Dabei sind diese, gemäß den vorstehenden Erläuterungen zunächst als mathematisch abstrakte Segmente betrachteten Schlitzanordnungen durch tatsächliche, mechanisch getrennte Module realisiert.
  • Erfindungsgemäß werden dann für die Bildung des Hohlleiters mehrere (mechanische) Module verwendet, die entlang einer mehrerer Raumrichtungen angeordnet werden und, ggf. mit weiteren Komponenten, Bestandteile der Begrenzungen eines geschlitzten Hohlleiters sind. In den Modulen sind jeweils Schlitzgruppen angeordnet, so dass die Schlitze durch Umordnung der Module in beliebige Reihenfolge gebracht werden können und in gewünschter Anzahl und Erstreckung angeordnet werden können. Der resultierende Hohlleiter kann einen beliebigen Querschnitt (z.B. rechteckig, rund, ellipsenförmig etc.) aufweisen.
  • Außerdem können die Module in ihrer Orientierung verändert, z.B. gedreht werden, also in verschiedenen Orientierungen entlang der Längsachse angeordnet werden. Um eine gewünschte Abstrahlcharakteristik zu modellieren, werden Module mit geeigneten Abmessungen (z.B. einer Abmessung in Richtung der Längsachse von einer Wellenlänge der Mode im Hohlleiter) kombiniert und es wird das gewünschte Schlitzmuster durch Aneinanderreihung der Module gebildet. Die Module bilden dabei einen Teil der Begrenzung des Hohlleiters, so dass die Schlitze als Öffnungen in dem Hohlleiter ausgebildet sind. Die Module können grundsätzlich unmittelbar miteinander oder weiteren Bauteilen gekoppelt werden, es ist erfindungsgemäß lediglich erforderlich, dass eine Umordnung verschiedener Module mit darin angeordneten Schlitzgruppen möglich ist. Diese Module entsprechen in ihrer praktischen Umsetzung und bei Kopplung miteinander zu einem Hohlleiter in der Wirkung den oben betrachteten (abstrakten) Segmenten eines erfindungsgemäßen integral verbundenen Hohlleiters mit z.B. gefrästen Schlitzanordnungen.
  • Gemäß der Erfindung kann also für eine gegebene Wellenlänge von Strahlung ein Baukastensystem zur Verfügung gestellt und erfindungsgemäß verwendet werden, dessen Bestandteile zur raschen und einfachen Konstruktion eines geschlitzten Mikrowellen-Hohlleiters verwendet werden können.
  • Es ist weiterhin vorgesehen, dass Blendenmodule oder Blendenbauteile Teil dieses Baukastensystems sind, wobei die Blenden vor den entlang der Längsachse angeordneten Modulen und je nach gewünschter Abstrahlcharakteristik angeordnet werden können.
  • Die Ausbildung einer geeigneten geschlitzten Antenne sieht demnach so aus, dass zunächst der zur vorgesehenen Anregungswellenlänge geeignete Modulsatz mit Schlitzen ausgewählt wird und die geschlitzten Module entlang einer oder mehrerer Raumrichtungen angeordnet werden. Die Abstrahlamplitude der einzelnen Module wird bei dem so gebildeten Hohlleiter schließlich mit der Anordnung der Blenden vor den Modulen erzielt. Die Optimierung des gewünschten Strahlungsmusters kann erfindungsgemäß durch Umordnung oder Austausch entsprechender Blenden vor den Schlitzgruppen bei gleichzeitiger Messung vorgenommen werden.
  • Ein wesentlicher Aspekt der Erfindung bei Realisierung mit getrennten mechanischen Modulen besteht darin, den Hohlleiter mit seinen geschlitzten Öffnungen nicht mehr als Ganzes und für eine bestimmte Verwendung auszubilden, sondern den Hohlleiter zumindest teilweise aus austauschbaren mechanischen Modulen zu bilden und so eine problemlose Umordnung der Schlitzöffnungen zu erlauben. Dasselbe gilt für die Blenden, welche vor den Modulen anzuordnen sind. Eine äußerst flexible Gestaltung von geschlitzten Hohlleitern ist auf diese Weise möglich und eine In-Situ-Optimierung der Abstrahlcharakteristik ist erreichbar, da durch einfachen Austausch von Modulen bzw. Blenden Einfluss auf die Abstrahlcharakteristik genommen werden kann. Die Anordnung der Module kann dabei z.B. für eine lineare, eindimensionale Gruppenantenne in Längsrichtung des Hohlleiters erfolgen, es ist aber grundsätzlich auch die Anordnung in mehrere Raumrichtungen möglich. Beispielsweise können die Module in mehreren parallelen Raumrichtungen angeordnet werden, um so zweidimensionale Gruppenantennen zu bilden. Es besteht aber auch die Möglichkeit, das mechanisch konfigurierbare Anordnungsprinzip für sogenannte konforme Antennen zu verwenden, wobei Module mit beliebigen Winkelstücken verbunden werden können und ein quasi gebogener Hohlleiter entsteht.
  • Die Module können sämtlich gleichartig ausgebildet sein. Es können jedoch auch Module Verwendung finden, welche bspw. ein Vielfaches der Länge anderer Module aufweisen. Außerdem können die Schlitzgruppen in den Modulen gleichartig sein, wobei jede Schlitzgruppe einen oder mehrere Schlitze enthält. Sinngemäß gilt dies auch für die Blenden, welche jeweils zur Abdeckung eines vorgegebenen Abschnitts eines oder auch mehrerer Module ausgebildet sind. Eine Blende kann sich also auch über zwei benachbarte Abstrahlmodule erstrecken, die Abmessungen der Blenden sind insofern unabhängig von den Abmessungen der Module.
  • Wie auch weiter unten klar werden wird, können die Module in ihrer Form nahezu beliebig ausgebildet sein. Es muss erfindungsgemäß nur gewährleistet sein, dass die Module entlang der Längsachse des Hohlleiter, bzw. entlang der Ausbreitungsrichtung der Hohlleiter-Mode anzuordnen und kombinierbar sind. Es kommen daher sowohl flache, geschlitzte Platten als Module in Frage, die eine Öffnung im Hohlleiter überdecken und nur die geschlitzten Öffnungen freigeben als auch z.B. geschlitzte Hohlkörper, welche selbst durch Aneinanderreihung einen Hohlleiterabschnitt bilden.
  • Vorzugsweise sind die Module derart ausgebildet und werden derart entlang der Längsachse angeordnet, dass wenigstens bei einigen der Module die Schlitzöffnungen schräg zu der Längsachse des Hohlleiters verlaufen.
  • Grundsätzlich ist die Erfindung mit Modulen ausführbar, die jeweils nur über einen einzelnen Schlitz verfügen. Jede Schlitzgruppe enthält dann also nur einen einzelnen Schlitz. Die Schlitzgruppen können jedoch auch mehrere Schlitze aufweisen.
  • Wie in der oben genannten Veröffentlichung beschrieben, können für bestimmte Anwendungszwecke vorteilhaft Schlitzpaare verwendet werden, die zueinander in einem Winkel angeordnet sind. Die Schlitze dieser Schlitzpaare sind außerdem in einem Winkel schräg zu der Längsachse des Hohlleiters angeordnet, jedoch paarweise entgegengesetzt, bilden also beispielsweise eine auseinanderlaufende bzw. zusammenlaufende Schlitzanordnung. Gemäß dem vorgenannten Beispiel können die schräg zueinander angeordneten Schlitze in einer Schlitzgruppe auf einem Modul integriert sein.
  • Bei einer derart gewählten Anordnung kommt ein weiterer Aspekt der Erfindung, welcher durch die mechanische Modularität des Systems gemäß der Erfindung erst ermöglicht wird, besonders zum Tragen. Es ist nämlich möglich, durch Drehen eines der geschlitzten mechanischen Module eine Phaseneinstellung vorzunehmen. Diese Umordnung oder Drehung ist noch einfacher zu realisieren als die erfindungsgemäße Ausbildung eines integralen geschlitzten Hohlleiters, bei welchem gespiegelte Schlitzanordnungen zur Phaseneinstellung gefräst wurden.
  • Gemäß dieser bevorzugten Ausführungsform werden zwecks Phaseneinstellung demnach wenigstens zwei gleichartig ausgebildete Module verwendet, wobei eines dieser Module um 180° um eine Abstrahlachse gedreht wird. Diese Abstrahlachse verläuft senkrecht zu der geschlitzten Oberfläche und das gedrehte Modul wird zu dem anderen, nicht gedrehten gleichartigen Modul derart angeordnet, dass die Schlitzanordnungen beider Module zur Abstrahlung in dieselbe Raumrichtung weisen.
  • Diese Drehung eines Moduls wird mit anderen Worten so vorgenommen, dass bei Betrachtung des Moduls und Wellenleiters aus der Abstrahlrichtung eine Drehung um 180° um die Abstrahlachse vorgenommen wird. Die Abstrahlrichtung bleibt also erhalten, die Schlitzanordnung wird jedoch "auf den Kopf gestellt". Bei den zu diesem Zweck bevorzugt eingesetzten (siehe oben erwähnten Stand der Technik spiegelsymmetrischen Schlitzanordnungen), entspricht diese Drehung einer Spiegelung der Schlitzanordnung bezüglich einer Ebene, welche durch die Längsachse des Hohlleiters und die Abstrahlnormale der Moduls aufgespannt ist.
  • Wird also beispielsweise ein Modul, dessen Schlitze bei Betrachtung des gesamten Wellenleiters nach oben auseinander laufen um 180° gedreht (gespiegelt) und an gleicher Stelle eingebaut (wobei die Schlitze wieder in die gleiche Richtung weisen) kann die Phase des Einzelstrahlers von 0° auf 180° oder umgekehrt geändert werden. Durch Drehen bzw. Spiegeln eines der Module und dessen Abdeckung können alle reellen Amplituden, also auch negative Werte aufgrund der Phasendrehung um 180° für jeden Einzelstrahler eingestellt werden. Dass alle reellen Amplituden eingestellt werden können, heißt mathematisch, dass jedes beliebige Abstrahldiagramm realisiert werden kann, welches spiegelsymmetrisch zur Hauptachse der Antenne ist. Eine Diagrammformung bzw. Modellierung von Antennen-Abstrahlcharakteristiken ist gemäß der Erfindung also durch eine rein mechanisch konfigurierbare Gruppenantenne in Form eines geschlitzten Hohlleiters möglich. Dabei unterliegt das erfindungsgemäße System und Verfahren nicht den Schwierigkeiten und Ungenauigkeiten einer elektronischen Gruppenantenne und deren durch die elektronischen Bauteile begrenzten Speiseleistung. Außerdem kann das System aufgrund der guten Skalierbarkeit eines Hohlleiters in einem sehr weiten Frequenzbereich zur Modellierung von Antennen-Abstrahlcharakteristiken dienen. Beispielsweise können Abstrahldiagramme realer Instrumenten-Landesysteme in einem entsprechend skalierten Messaufbau bei etwa 16 GHz sehr gut nachmodelliert werden.
  • Obwohl üblicherweise die Abstrahlrichtung in eine einzige Vorzugsrichtung erfolgt, ist die Erfindung in diesem Sinne nicht eingeschränkt. Durch die Möglichkeiten der modulartigen Ausbildung ist es grundsätzlich möglich, Abstrahlungen in unterschiedliche Raumrichtungen vorzunehmen, die Module also gewinkelt zueinander anzuordnen, so dass in verschiedene Raumrichtungen entlang der Längserstreckung des Hohlleiters Abstrahlung stattfindet, z.B. auch in entgegengesetzte Richtungen. Auch diese Möglichkeit ist durch das modulare Baukastenkonzept des erfindungsgemäßen Mikrowellenleiters möglich.
  • Vorzugsweise werden die Blenden jeweils einzelnen Modulen mit darin angeordneten Schlitzgruppen zugeordnet. Wie oben bereits erläutert ist es auch möglich, eine Blende mit einer Erstreckung über mehrere Module vorzusehen. Des Weiteren ist die Höhe der Blende, also das Maß für die Überdeckung der Schlitze so auszuwählen, dass die gewünschte Abstrahlcharakteristik erreicht wird. Vorzugsweise ist für jedes Modul ein Satz von Blenden verfügbar und gemäß den Verfahren anzuordnen, welcher eine Auswahl verschiedener Blendenhöhen, also verschiedener Verdeckungsgrade ermöglicht. Des Weiteren kann eine derartige Blende wahlweise an jedem der entgegengesetzten Enden der Schlitze angeordnet werden, wodurch ein weiterer Einfluss auf die Modellierung der Abstrahlcharakteristik genommen wird.
  • In einer abgewandelten Gestaltung können vor einzelnen oder mehreren Modulen Blenden angeordnet werden, die mit Hilfe von Verstelleinrichtungen (z.B. am Modul gekoppelten Mikrometerschrauben) justierbar sind.
  • Es sind dabei wenigstens einige der Blenden mit jeweiligen Verstelleinrichtungen versehen und durch Einwirken auf diese Verstelleinrichtungen ist der Deckungsgrad der Blenden mit den Schlitzen der Module veränderbar.
  • Durch Betätigen der Verstelleinrichtung kann die zugehörige Blende nach Bedarf in veränderbare Überdeckung mit den Schlitzen eingestellt werden. Auf diese Weise kann eine einzelne Blende eine justierbare Überdeckung bereitstellen, ohne einen Wechsel zwischen verschiedenen Blendengrößen zu erfordern. Dieser Aspekt der Verstellbarkeit kann in vielfältiger Weise realisiert werden. Beispielweise können seitliche Schienen an den Modulen angeordnet werden, in denen die Blenden (wie ein Dia in einer Aufnahme einer Projektionseinrichtung) geschoben werden können. Eine Mikrometerschraube sitzt oberhalb oder unterhalb des Moduls und ist zur Einstellung der Blende in der Führung betätigbar.
  • Eine solche Verstellung kann auch mit einem Antrieb gekoppelt sein, z.B. einem Schrittmotor, so dass vorgegebene Blendeneinstellungen abrufbar sind. Auf diese Weise sind für einen aus Modulen zusammengestellten Wellenleiter verschiedene Abdeckungsschemata abrufbar, wenn diese zuvor in einer Steuereinrichtung gespeichert werden.
  • Gemäß der Erfindung wird weiterhin eine Einrichtung zum Modellieren von Antennen-Abstrahlcharakteristiken bereitgestellt, wobei eine Mehrzahl von Abstrahl-Modulen, die jeweils eine durch Schlitze durchbrochene Abstrahlfläche aufweisen, enthalten ist. Die Abstrahl-Module werden zur Bildung eines geschlitzten Hohlleiters entlang einer Raumrichtung und ggf. sich ändernden Ausbreitungsrichtung einer Hohlleitermode angeordnet. Die Einrichtung weist eine Mehrzahl von Blenden auf, welche zum Abdecken von wenigstens einem Abschnitt der Schlitze vor den Abstrahlflächen der Module angeordnet sind. Ferner ist eine Erregereinrichtung vorgesehen, welche zur Anregung einer Hohlleitermode in den Hohlleiter angeordnet und ansteuerbar ist.
  • Der Hohlleiter besteht demnach aus voneinander trennbaren und wieder zusammenfügbaren mechanischen Bestandteilen, wovon einige die sogenannten Abstrahl-Module sind und andere die Blenden sind, welche die Schlitze der durchbrochenen Abstrahlflächen teilweise abdecken können. Die Bestandteile werden in der vorstehend erläuterten Weise kombiniert, um beliebige Abstrahlmuster zu modellieren.
  • In einer bevorzugten Ausbildung der Einrichtung ist ein länglicher Träger vorgesehen, an dem oder auf dem die Abstrahl-Module entlang der Längsachse des Trägers angeordnet sind, um den Hohlleiter zu bilden. Bei dieser Gestaltung bildet der Träger eine durchgehende Verbindung der Module. Der Träger kann eine Schiene sein, auf der die Module hintereinander aufgesteckt oder aufgeschoben werden und zur Bildung eines durchgehenden Hohlleiters verbunden werden. Die Aneinanderreihung der Module kann über entsprechende Verbindungssysteme erfolgen, wobei die weitgehend strahlungsdichte Verbindung der einzelnen Module miteinander sicherzustellen ist. Dies kann beispielsweise über entsprechende Nut-Federsysteme geschehen, wobei die Module in Richtung der Längsachse und an den entgegengesetzten Enden des Hohlleiters miteinander über eine entsprechende Spannvorrichtung verspannt werden. Es sind jedoch auch beliebige andere Verbindungsmechanismen möglich.
  • In einer weiteren bevorzugten Ausführungsform der Erfindung ist der Träger selbst ein Teil der Begrenzung des Hohlleiters.
  • In einer besonders bevorzugten Gestaltung ist der Träger dabei als U-Profil ausgebildet, wobei das U-Profil beispielsweise drei Seiten eines Rechteckhohlleiters bildet. Vor die freie Seite des U-Profils werden die geschlitzten Abstrahl-Module platziert, um diese offene Seite bis auf die geschlitzten Ausnehmungen zu bedecken. Auch hier ist die Kopplung zwischen Abstrahl-Modulen und dem U-Profil in beliebiger Weise möglich, z.B. durch Verspannen mit einer entsprechenden Klemmeneinrichtung, magnetische Halterungen unter Herstellung der Strahlungsdichtheit durch Gestaltung der Kontaktbereiche (z.B. Nut-Feder-System).
  • In einer Abwandlung der Gestaltung ist der Träger als C-Profil ausgebildet, also als Teil eines Rundprofils und die Abstrahl-Module sind als Spangen oder Ringe auf das C-Profil aufsteckbar. Diese Abstrahl-Module sind dann um die Längsachse des C-Profils drehbar und umgreifen das C-Profil. Vor den Abstrahl-Modulen können dann wiederum Blenden angeordnet werden. Bei dieser Gestaltung kann durch ein Drehen eines AbstrahlModuls erreicht werden, dass die Schlitzöffnungen über einen Abschnitt des C-Profils liegen, der eine Wandung des Hohlleiters bildet. Der Hohlleiter wird dann in diesen Längsabschnitt vollständig gegen Strahlungsaustritt abgeblendet, da kein Abschnitt der Schlitzöffnungen mit dem freien Bereich des C-Profils zur Deckung gebracht ist. Die Gestaltung eines solchen Hohlleiters ist äußerst flexibel und gleichzeitig stabil, da die einzelnen Bestandteile sicher auf dem Träger gehalten sind.
  • Die Erfindung erlaubt auch eine Anordnung der Module entlang mehrerer Achsen. Wird eine Umlenkeinrichtung für die in den Hohlleiter gekoppelten Wellen zwischen die Module eingebracht, ist eine entsprechende Anordnung möglich. Beispielsweise kann durch eine U-Umlenkung eine Anordnung von zwei oder mehr Modulreihen übereinander realisiert werden. Eine L-Umlenkung bzw. ein 90°-Winkel erlaubt die Ausbildung von Abstrahlungen entlang zueinander senkrechter Raumachsen. Entsprechende Umlenkstücke sind grundsätzlich bekannt und können zur Bildung komplexer Abstrahlmuster mit der Modulbauweise gemäß der Erfindung kombiniert werden, wie anhand einiger Ausführungsformen weiter unten erläutert wird. Denkbar wäre z.B. auch eine kreisförmige oder vieleckförmige Anordnung der Module.
  • Die Erfindung wird nun anhand der beiliegenden Zeichnungen näher erläutert.
    • Figur 1a zeigt eine erste Ausführungsform eines modular aufgebauten Hohlleiters in einer schematischen, perspektivischen Explosionsdarstellung;
    • Figur 1b zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 1a in montiertem Zustand;
    • Figur 1c zeigt einen Hohlleiter gemäß einer zweiten Ausführungsform mit einer Schlitzanordnung gemäß der ersten Ausführungsform, jedoch mit integral ausgebildetem Hohlleiter in einer schematischen, perspektivischen Explosionsdarstellung;
    • Figur 1d zeigt die Ausführungsform gemäß Figur 1c in montiertem Zustand;
    • Figur 2a zeigt ein drittes Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung in einer schematischen, perspektivischen Explosionsdarstellung;
    • Figur 2b zeigt die Ausführungsform aus Figur 2a in einem montierten Zustand;
    • Figur 3a zeigt ein Modul gemäß einer vierten Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen, perspektivischen Ansicht;
    • Figur 3b zeigt die Anordnung mehrerer Module aus der Figur 3a zu einem Hohlleiter;
    • Figur 4a zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Aufsicht;
    • Figur 4b zeigt die Anordnung aus Figur 4a in einer perspektivischen Ansicht;
    • Figur 5 zeigt eine sechste Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen, perspektivischen Ansicht;
    • Figur 6a zeigt eine siebte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Aufsicht;
    • Figur 6b zeigt die Anordnung aus Figur 6a in einer perspektivischen Ansicht;
    • Figur 7a zeigt eine fünfte Ausführungsform der Erfindung in einer schematischen Aufsicht;
    • Figur 7b zeigt die Anordnung aus Figur 7a in einer perspektivischen Ansicht;
  • Die Figur 1a zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel, welches zur Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und einen erfindungsgemäßen geschlitzten Hohlleiter darstellt. Ein rechteckiges U-Profil 1 ist mit seiner Längserstreckung entlang einer Raumachse angeordnet, welche die Längsrichtung des Hohlleiters bildet. In dem U-Profil ist eine Erregereinrichtung 2 angeordnet, welche in der Darstellung nur schematisch wiedergegeben ist. Zur Einkopplung eines elektromagnetischen Feldes in den Hohlleiter ist grundsätzlich jede bekannte und bewährte Methode der Einkopplung in Hohlleiter anwendbar, wie sie den Fachkreisen auch bekannt ist. Außerdem kann eine dezentrale, seitliche Einkopplung vorgenommen werden oder, je nach Anwendung, auch eine zentrale oder an anderer Position angeordnete Einkopplung. Schließlich kann die Erregereinrichtung 2 grundsätzlich auch in jeden der Schenkel des Profils 1 eingesetzt werden.
  • Das U-Profil 1 bildet drei seitliche Begrenzungen des Hohlleiters und ist in dieser Gestaltung an beiden Längsenden offen ausgebildet. Die offenen Enden werden durch Abschlussabdeckungen 3a, 3b geschlossen. Diese sind in dieser Darstellung gleichartig ausgebildet, da deren Gestaltung gemäß dem bekannten Aufbau eines Hohlleiters erfolgt. Eine der Abdeckungen wirkt demnach beispielsweise wie ein gewollter Kurzschluss im Abstand eines Viertels der Hohlleiterwellenlänge zum letzten Schlitzelement 3a. An der entgegengesetzten Seite des Hohlleiters befindet sich zusammen mit der Speiseeinrichtung ein Flansch mit Koaxialhohlleiter (nicht dargestellt), so dass ein reflexionsarmer Abschluss realisiert ist. Auf die genaue Darstellung in der schematischen Ansicht wird verzichtet, da diese Abschlüsse bekannten Stand der Technik darstellen und nicht wesentlich für die Erfindung sind.
  • Vor der offenen Front des U-Profils 1 sind nebeneinander acht Abstrahlmodule 4 angeordnet. Die Abstrahlmodule sind in ihren Abmessungen auf die Abmessungen des Hohlleiters 1 abgestimmt. Die Abstrahlmodule 4 sind ansonsten mit identischen Maßen ausgebildet und austauschbar. Jedes der Abstrahlmodule 4 ist mit geschlitzten Öffnungen ausgestattet, die zueinander bezüglich einer Spiegelachse symmetrisch und schräg ausgebildet sind. Die Abstrahlmodule 4 werden so vor der offenen Seite des U-Profils 1 angeordnet, dass die Schlitze schräg zu dessen Längserstreckung verlaufen. Es ist zu erkennen, dass in diesem Beispiel die Abstrahlmodule 4 mit unterschiedlicher Orientierung angeordnet sind, einige also mit nach oben hin reduzierten Schlitzabständen und einige mit nach oben hin erweiterten Schlitzabständen. Diese Umorientierung, also eine Drehung eines einzelnen Abstrahlmoduls um 180° bezüglich einer Querachse zu der Längsachse des U-Profils 1 bewirkt eine Phasenverschiebung um Pi bzgl. der Anregung dieses Moduls, also die Umkehrung des Vorzeichens der Amplitude für dieses Modul. Außerdem sind in diesem Beispiel die Abstrahlmodule 4 symmetrisch bezüglich der Mitte der Längserstreckung des Hohlleiters angeordnet. Die linken vier Module sind also spiegelsymmetrisch zu den rechten vier Modulen.
  • Die Module werden vor der offenen Seite des U-Profils angeordnet und bilden zusammen mit dem U-Profil 1 und den Abschlüssen 3a, 3b, einen geschlitzten Hohlleiter. Die Berührungspunkte zwischen den Modulen 4 und dem U-Profil 1, den Abschlussstücken 3a, 3b und dem U-Profil 1 sowie den Modulen 4 und auch die Verbindung der Module untereinander ist möglichst strahlungsdicht bzw. unterbrechungsfrei für die auf der Hohlleiteroberfläche fließenden Ströme ausgebildet. Dafür kommen alle üblichen mechanischen Verbindungsmethoden in Frage, insbesondere können beispielsweise die Module seitlich mit Nuten ausgestattet sein, so dass jeweils zwei Module unter Einbringung eines Einschubelements in die benachbarten Nuten strahlungsdicht miteinander verbunden werden. Geeignete Nut-Feder-Verbindungen können auch zwischen dem U-Profil 1 und den Strahlungsmodulen 4 ausgebildet sein. Es kommen jedoch auch beliebig andere Verbindungskonzepte in Frage, insbesondere gekantete Verbindungen.
  • In dem gezeigten Beispiel sind pro Strahlungsmodul zwei zueinander schräg verlaufende Schlitze zu einer Schlitzgruppe angeordnet. Grundsätzlich könnte jedoch auch jedes der Module mehr oder weniger Schlitze aufweisen.
  • In der Gestaltung in diesem Ausführungsbeispiel sind insgesamt sechs Blenden 5 vor den Abstrahlmodulen 4 angeordnet. Diese Blenden überdecken Teile der geschlitzten Öffnungen in den Abstrahlmodulen 4. Auch die Anordnung der Blenden ist bezüglich einer Mittelachse des Hohlleiters symmetrisch.
  • In Figur 1b ist der modular aufgebaute Hohlleiter in montierter Form dargestellt. Die Blenden sind vor den geschlitzten Öffnungen angeordnet und überdecken Teile der Öffnungen, um die gewünschte Abstrahlcharakteristik zu modellieren. Die Blenden 5 sind vor den Abstrahlmodulen in beliebiger Weise lösbar zu befestigen. In der dargestellten Form sind die Blenden 5 beispielsweise mit einer lösbaren Klebeverbindung vor den Schlitzöffnungen angeordnet. Die Blenden können jedoch auch so ausgebildet sein, dass sie als Klammern oder Spangen das U-Profil 1 mehrseitig umgreifen und eine entsprechende Abdeckung der Schlitzöffnungen bereitstellen.
  • Wie bei den von den axialen Enden der Anordnung gezählt jeweils dritten Abstrahlmodulen, kann eine Blende dabei ein Abstrahlmodul auch vollständig bedecken um die Abstrahlung in diesem Bereich gänzlich zu unterbinden. Selbstverständlich kann alternativ auch in die Reihe der Abstrahlmodule ein vollständig geschlossenes Modul, also schlitzloses Modul eingebracht werden.
  • In der dargestellten Form können in einfacher Weise durch Kombination verschiedener geschlitzter Abstrahlmodule und Blenden vielfältige Abstrahlcharakteristiken modelliert werden. Die Abmessung des U-Profils und der geschlitzten Abstrahlmodule ist selbstverständlich auf die Wellenlänge der anzuregenden Mode im Innenraum des Hohlleiters abgestimmt. Die grundsätzlichen Kenntnisse über Hohlleiter und deren Abmessung im Zusammenhang zu der Wellenlänge sind jedoch in den Fachkreisen bekannt und beispielsweise auch den oben angegebenen Publikationen zu entnehmen.
  • Die Figuren 1c und 1d zeigen einen Hohlleiter 6 gemäß der Erfindung, wobei grundsätzlich dasselbe Muster von Schlitzöffnungen 7a, 7b realisiert wurde wie bei der Ausführungsform der Figuren 1a und 1b.
  • Bei dieser Gestaltung sind die Schlitze 7a, 7b jedoch in einem handelsüblichen Hohlleiter durch Fräsen oder sonstige Bearbeitung eingebracht. Der Hohlleiter ist also "aus dem Vollen" gefertigt und besteht nicht aus mechanisch entkoppelbaren Modulen. Diese Gestaltung greift demnach in ihrer Gestaltung wieder die erfindungsgemäße, grundsätzliche mathematische oder modellhafte Abstraktion und Segmente des Hohlleiters auf. Ein (mathematisches) Segment wird hier jeweils aus einem Schlitzpaar der Gruppe 7a oder 7b gebildet. Die Schlitzpaare 7a weisen jeweils nach oben zusammen laufende Schlitze auf. Die Schlitzpaare 7b hingegen laufen nach oben hin auseinander. Jedes der Schlitzpaare 7a ist zu jedem der Schlitzpaare 7b spiegelsymmetrisch bezüglich einer Ebene durch die Längsachse des Wellenleiters und die primäre Abstrahlrichtung. Gegenüber der Abstrahlung von einem 7a-Segment wird durch diese Umorientierung ein Phasenwechsel von 0 zu Pi oder umgekehrt erreicht. Ein derartiger integral gebildeter Wellenleiter ist robuster, aber weniger flexibel als ein Leiter mit trennbaren mechanischen Modulen.
  • Durch Anordnung der Blenden 5 können die Abstrahlamplituden jedoch ebenfalls nachträglich weitgehend variiert werden.
  • Die Figuren 2a und 2b zeigen eine alternative Gestaltung einer Vorrichtung, welche zur Ausführung des erfindungsgemäßen Verfahrens geeignet ist und gemäß der Erfindung ausgebildet ist.
  • Bei dieser Gestaltung ist ein Rundprofil als seitlich entlang der Längsachse offenes C-Profil 10 ausgebildet. Die Erregereinrichtung ist in dieser Darstellung nicht sichtbar, ist jedoch im Prinzip in ähnlicher Weise anzuordnen wie bei dem vorstehenden Ausführungsbeispiel. Die Abstrahlmodule 11 sind in diesem Beispiel als Ringe mit geschlitzten Öffnungen ausgebildet. Der offene Innendurchmesser der Abstrahlmodule 11 ist abgestimmt auf den Außendurchmesser des C-Profils 10, so dass die Ringe auf das Profil 10 aufgeschoben werden können und durch Drehung, an dem Profil 10 abgleitend um die Längsachse des Profils 10 drehbar sind. Außerdem können die Abstrahlmodule 11 seitlich vom Profil wieder abgezogen werden, um die Orientierung der Schlitzanordnungen zu ändern.
  • Je nach Drehstellung der Abstrahlmodule 11 liegen die Schlitzöffnungen vor der offenen Seite des C-Profils 10 oder über einer Wandungsfläche des Profils. Auf diese Weise können aktive und passive Abstrahlbereiche geschaffen werden (in einer alternativen Gestaltung könnten in jedem der Abstrahlmodule verschiedene, entlang des Umfangs versetzte Schlitzgruppen angeordnet sein, die, je nach Drehausrichtung, mit der Öffnung im Profil 10 zur Deckung gelangen - dann wäre ggf. auch ein seitliches Abziehen der Abstrahlprofile nicht mehr nötig).
  • Die seitlichen Endabschlüsse 12a und 12b sind in ihrem Durchmesser auf den Durchmesser der Abstrahlmodule 11 abgestimmt. Zwischen den Abstrahlmodulen selbst ist jeweils eine möglichst strahlungsdichte und leitende Verbindung gewährleistet, um einerseits die Drehung der Module gegeneinander zu ermöglichen und andererseits die Strahlungsdichtheit des Systems in diesem Berührungsbereichen sicherzustellen. Dazu ist wiederum die Ausbildung einer Nut-Feder-Verbindung entlang des Umfangs möglich.
  • Die Blenden für die einzelnen Abstrahlmodule 11 sind als Blendenspangen 13 ausgebildet. Diese werden wiederum über die Abstrahlmodule 11 geschoben und sind ebenfalls um die Längsachse des Hohlleiters rotierbar, um einen Teil der Schlitzöffnungen in den Abstrahlmodulen 11 abzudecken.
  • Die montierte Gestaltung ist in Figur 2b dargestellt. Der so realisierte Wellenleiter ist durch einfaches Verdrehen geeignet, zahlreiche Abstrahlmuster zu modellieren. Sofern erforderlich, können selbstverständlich weitere Bauteile die Stabilität eines solchen Aufbaus verbessern. Beispielsweise können axial angeordnete gefederte Klemmen den gesamten Aufbau in axialer Richtung fixieren, wobei dennoch eine Drehung der einzelnen Abstrahlmodule 11 gegeneinander möglich bleibt.
  • Das vorstehend erläuterte Ausführungsbeispiel ist im Rahmen der Erfindung auch ohne C-Profil als Träger realisierbar. Die einzelnen Abstrahlmodule werden dann miteinander z.B. durch umlaufende Nut-Feder-Verbindungen gekoppelt oder mit anderen bekannten und gegeneinander drehbaren Verbindungen versehen. Dazu kann auch eine äußere Fixierungs- oder Spannvorrichtung den axialen Zusammenhalt der Module sicherstellen. Außerdem kann eine Gestaltung realisiert werden, bei welcher die kreisförmigen Module in diskreten Winkelstellungen koppelbar sind. Dann ist es also nicht erforderlich, eine Drehverbindung zu schaffen, sondern es kann jedes Modul von einem benachbarten axial getrennt und in anderer Orientierung (um einen Winkelbetrag gedreht) wieder mit diesem gekoppelt werden.
  • Figur 3a zeigt schließlich ein mechanisch realisierbares Abstrahlmodul mit einer Schlitzgruppe welches als Quaderelement ausgebildet ist, dass an gegenüberliegenden Seiten offen ist. Eine Anordnung einer Mehrzahl dieser Quaderelemente nebeneinander bildet den gewünschten Hohlleiter. In Abbildung 3a ist der Quader 20 mit einer Schlitzgruppe 21 ausgebildet und der Quader 20 weist Öffnungen 22 aus, über die mit Stiften 23 eine Verbindung der Quaderelemente untereinander ermöglicht wird.
  • Figur 3b zeigt eine entsprechende Anordnung, wobei vor den einzelnen Quaderelementen 20 wiederum Blenden 25 mit unterschiedlichen Abmessungen angeordnet sind. Seitliche Abschlüsse 26A, 26B schließen den Hohlleiter, indem auf üblichem Wege eine elektromagnetische Strahlung angekoppelt wird, die an den offenen Schlitzgruppen in der gewünschten modellierten Form austritt. Zur Einkopplung können spezielle Abstrahlmodule mit entsprechend geeigneten Einkoppelvorrichtungen vorgesehen werden, die im Endbereich oder im Mittelbereich platziert werden. Zu bevorzugen sind hier handelsübliche Übergänge von koaxialen Hochfrequenzkabeln (z.B. in SMA-Technik) auf die Grundmode des Hohlleiters.
  • Es ist ersichtlich, dass ein äußerst modulares und flexibles System bereitsteht, um Wellenleiter mit beliebigen Abstrahlcharakteristiken zu kombinieren, wobei die Länge des Wellenleiters durch Ergänzung weiterer Module problemlos zu verändern ist.
  • Eine weitere Gestaltung der erfindungsgemäßen Verfahrens und der erfindungsgemäßen Einrichtung ist in den Figuren 4a und 4b gezeigt.
  • Bei dieser Gestaltung wird der Tatsache Rechnung getragen, dass eine Wellenlänge im Hohlleiter (lambda HL) immer größer ist als die Freiraumwellenlänge. Das heißt zwangsläufig, dass die Einzelstrahler (in diesem erfindungsgemäßen Beispiel also die Schlitzpaare), welche im Abstand der Hohlleiterwellenlänge angeordnet sind und gleichphasig (oder auch gegenphasig gemäß eines Erfindungsgedankens) angeregt werden, auch einen Abstand aufweisen, der größer als die Freiraumwellenlänge ist.
  • Das führt bei einer Gruppenantenne in der Abstrahlcharakteristik zu so genannten "Grating lobes" bzw. Nebenkeulen oder Gitterkeulen, die nicht erwünscht sind. Insbesondere kann es in Richtung dieser Nebenkeulen zu störenden Reflexionen kommen.
  • Gemäß dem gezeigten Ausführungsbeispiel werden zwei Hohlleiter 30, 31 parallel zueinander angeordnet. Dabei wird ein Versatz in Richtung der Array-Erstreckung (also in Längsrichtung) von der Hälfte der Hohlleiterwellenlänge vorgesehen. Ein Umlenkstück 32 in Gestalt einen U-Hohlleiters sorgt dafür, dass beide Hohlleiter von derselben Anregung bzw. Mode gespeist und die beiden Hohlleiter in Phase angeregt werden.
  • In Hauptstrahlrichtung überlagern sich die Einzeldiagramme der beiden versetzten Hohlleiteranordnungen 30, 31 konstruktiv, da im Fernfeld der Abstand (Parallelversatz) zwischen den U-Schenkeln unerheblich ist. Im Bereich der unerwünschten Grating Lobes hingegen überlagern sich die gestrahlten Felder destruktiv, so dass diese unerwünschten Nebenkeulen verschwinden, was mathematisch anhand des Arrayfaktors auch gezeigt werden kann.
  • In der gezeigten Konfiguration ist der U-Leiter 32 mit unterschiedlich langen Kopplungsstücken versehen, deren Längenunterschied eine halbe Hohlleiterwellenlänge beträgt. Die beiden Holleiteranordnungen 30, 31 mit den Schlitzpaaren sind identisch ausgebildet, insbesondre sind auch die Blenden vor den Schlitzen paarweise gleich angeordnet.
  • Figur 5 zeigt den alternativen Aufbau einer erfindungsgemäßen Einrichtung.
  • Ein langgestrecktes U-Profil 40 bildet eine dreiseitige Begrenzung für den Hohlleiter. Auf das U-Profil 40 werden oben und unten an den beiden U-Schenkeln zwei L-förmige Aufnahmen 41, 42 montiert, die auf der offenen Seite des U-Profils einen Spaltraum zwischen L-Aufnahmen und Stirnseiten der Schenkel des U-Profils 40 bilden. Dieser Spaltraum ist in seiner Breite auf die Dicke der Module 45 mit den Schlitzpaaren angepasst. Die Module 45, hier als Metallscheiben mit Schlitzpaaren ausgebildet, werden seitlich in den Spaltraum eingeschoben, wobei ihre Orientierung zum Einstellen der Phase frei wählbar ist. Die beiden äußeren Einschübe 47 werden mit Schrauben am U-Profil 40 fixiert, so dass die Module zwischen ihnen seitlich nicht verrutschen können. Blendenstücke 46, welche die Amplitude jedes Einzelstrahlermoduls 45 bestimmen, werden oben oder unten an der Aufnahme angeordnet. Dort werden sie ebenfalls mit Schrauben befestigt oder per Klemmung an ihrer Position gehalten.
  • Die erfindungsgemäße Ausführungsform der Figuren 6a und 6b reiht vier Einzelstrahlmodule 50a, 50b, 50c, 50d derart an, dass vertikal polarisierte Strahlung in einem linearen, eindimensionalen Array abgestrahlt wird. Gekoppelt sind die Module durch U-Verbinder 51a, 51b, 51c mit eckigem Querschnitt. Hier kann die Amplitude durch eine vorgebrachte Blende eingestellt werden und die Phase (0° oder 180°) durch Drehen eines Moduls beeinflusst werden.
  • Ein solches Design ist insbesondere bei der Realisierung von strahlungsdichten und mechanisch stabilen Steckverbindungen möglich, da die Einzelteile (Module und Umleitungen) jeweils gleichartig ausgebildet sind. Die Module können hier in Abständen angeordnet werden, die kleiner als die Freiraumwellenlänge sind und außerdem vertikale Polarisation erzeugen.
  • Die in den Figuren 7a und 7b als Ausführungsform gezeigte Gruppenantenne besteht aus vier Einzelstrahlern 60a, 60b, 60c, 60d, wobei zwei sich gegenüberliegende Einzelstrahler (60d und 60b) dieselbe Polarisation (horizontal) haben, während das andere Paar (60a und 60c) durch die orthogonale Anordnung auch die orthogonale Polarisation (vertikal) hat. Verbunden sind die Einzelstrahler 60a, 60b, 60c, 60d mit jeweils 90°-Bogenleitern 61a, 61b, 61c, die so ausgelegt sind, dass sie nacheinander angeordnete Einzelstrahler mit einem Phasenversatz von 90° zum vorigen anregen. Physikalisch wird dadurch ein zirkulares Abstrahlverhalten erzeugt. Gegenüberliegende Module (60b-60d oder 60a-60c) haben durch die Umlenkungen einen Phasenversatz von 180°, so dass für gleichphasige Anregung ein Modul um 180° erfindungsgemäß gedreht werden muss.
  • Bei einer Speisung in Modul 60a, ist die vertikale Polarisation 90° vor der horizontalen Polarisation, so dass durch diese Speisung linkszirkulare Polarisation erzeugt wird. Hingegen wird bei Speisung in Modul 60d zuerst die horizontale Polarisation angeregt, so dass hier rechtszirkulare Polarisation folgt. Speist man in Modul 60a und schließt gleichzeitig Modul 60d mit einem Kurzschluss ab, so bleibt lediglich lineare, vertikale Polarisation übrig, da Modul 60b und Modul 60d durch die Umlenkungen und den Kurzschluss sowohl mit der Phase 0° als auch rücklaufend mit der Phase 180° angeregt werden. Entsprechend erhält man bei Speisung in Modul 60d mit Kurzschluss an Modul 60a lineare, horizontale Polarisation.
  • Auch elliptische Polarisation ist einstellbar, indem das Anregungsverhältnis durch Blenden an den jeweiligen Modulpaaren eingestellt wird. Das Einstellen der Anregungsamplituden für die horizontalen bzw. vertikalen Module kann zudem auch zur Optimierung des Achsenverhältnisses der zirkularen Polarisation benutzt werden.
  • Grundsätzlich kann zirkuläre bzw. elliptische Polarisation auch mit nur zwei Modulen, z.B. 60a und 60b möglich. Die paarweisen Module kompensieren aber teilweise den Umstand, dass ein Modul immer etwas Leistung auskoppelt und das folgende Modul dann mit entsprechend weniger Leistung angeregt wird. So lassen sich in der Anordnung mit vier Modulen tatsächlich Achsenverhältnisse von nahezu 0 dB einstellen. Für die beschriebenen Anregungsmodi gibt es auch Hohlleiterumschalter, die in die Ecke passen könnten und die beschriebenen Polarisationsarten durch Schalten herstellen könnten. Durch diese erfindungsgemäße Ausführungsform wird eine generische Antenne zur Verfügung gestellt, die alle Polarisationsarten durch Umschalten herstellen kann.
  • Der Einsatz für dieses modulare System für geschlitzte Hohlleiter ist weitreichend. Insbesondere ist die Verwendung bei der Modellierung von Abstrahlcharakteristiken der Antennen für Instrumenten-Lande-Systeme (ILS) geeignet, um bei der Planung und bei der Analyse von Flughäfen wertvolle Hinweise auf Störungen und Optimierungen eines derartigen Systems zu erhalten.
  • Im Rahmen der Erfindung sind zahlreiche Erweiterungen und Abwandlungen denkbar. Insbesondere können die Module und zugehörigen Komponenten wie Blenden und Träger aus beliebigen Materialien gefertigt sein, solange sie eine Eignung für eine ordnungsgemäße Funktion eines Wellenleiters bzw. Hohlleiters bereitstellen. Die Einrichtung kann auch für Wellenleiter ganz unterschiedlicher Geometrien und Abmessungen verwendet werden. Wesentlich ist, dass durch die modulartige Kombination von Komponenten, ein Wellenleiter mit nahezu beliebiger Abstrahlcharakteristik realisiert werden kann, wobei sogar die Phasenlage bei einzelnen der Abstrahlmodule nach Bedarf (zu 0 oder zu Pi) zu wählen ist, so dass alle reellen Amplituden für jeden Einzelstrahler realisierbar sind und damit alle Abstrahldiagramme, die spiegelsymmetrisch zur Abstrahlachse sind, also über den Abstrahlwinkel eine gerade Funktion sind, erzeugt werden können.

Claims (8)

  1. Einrichtung zum Modellieren von Antennen-Abstrahlcharakteristiken, aufweisend:
    eine Mehrzahl von mechanisch trennbaren Abstrahl-Modulen (4; 11; 20), die jeweils eine durch Schlitze durchbrochene Abstrahlfläche aufweisen, wobei die Abstrahl-Module zur Bildung eines durch Anregung einer Hohlleitermode speisbaren, geschlitzten Mikrowellen-Hohlleiters entlang wenigstens einer Raumrichtung angeordnet und miteinander gekoppelt sind, so dass entlang der Module ein durchgehender Raum gebildet ist, in dem sich eine eingespeiste Welle als Mode ausbreitet und die Schlitze ohne Ausbildung eines zusätzlichen Speisenetzwerks versorgt, wobei wenigstens eines der Abstrahl-Module eine Abmessung in Richtung der Raumrichtung von einer Wellenlänge der Mode im Hohlleiter aufweist,
    eine Mehrzahl von austauschbaren Blenden (5; 13; 25), welche zum Abdecken von wenigstens einem Abschnitt der Schlitze vor den Abstrahlflächen der Module angeordnet sind und sich über ein oder zwei Module erstrecken, und eine Erregereinrichtung (2), welche zur Anregung der Hohlleitermode von Mikrowellen in dem Hohlleiter angeordnet ist, wobei sich die Hohlleitermode in die wenigstens eine Raumrichtung, in der die Abstrahl-Module angeordnet sind, ausbreitet.
  2. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei die Abstrahl-Module (4; 11; 20) identische Querschnitte aufweisen.
  3. Einrichtung nach Anspruch 1, wobei ein länglicher Träger (1; 10) vorgesehen ist, an dem die Abstrahl-Module (4; 11) entlang einer Längsachse des Trägers angeordnet sind, um den Mikrowellen-Hohlleiter zu bilden.
  4. Einrichtung nach Anspruch 3, wobei der Träger (1; 10) als entlang einer Längsseite offener Hohlkörper ausgebildet ist, wobei die Abstrahl-Module (4; 11) mit ihren Abstrahlflächen vor der offenen Längsseite angeordnet sind.
  5. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Träger (1) als U-Profil ausgebildet ist und wobei die Abstrahl-Module (4) mit dem U-Profil derart gekoppelt sind, dass die Abstrahlfläche vor der offenen Längsseite des U-Profil angeordnet ist.
  6. Einrichtung nach Anspruch 4, wobei der Träger (10) als C-Profil ausgebildet ist und wobei die Abstrahl-Module (11) als Ringe oder Spangen ausgebildet sind und durch Umgreifen mit dem C-Profil derart gekoppelt sind, dass die Abstrahl-Module (11) um die Längsachse des C-Profils drehbar sind und mit der Abstrahlfläche wahlweise vor der offenen Längsseite des C-Profils oder mit der Abstrahlfläche vor einem Wandungsabschnitt des C-Profils ausrichtbar sind.
  7. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 6, wobei zwischen wenigstens zwei Abstrahl-Module wenigstens eine Hohlleiter-Umlenkeinrichtung gekoppelt ist, so dass eine Gruppe von Modulen entlang einer ersten Raumrichtung und eine zweite Gruppe von Modulen entlang wenigstens einer weiteren Raumrichtung angeordnet ist, wobei die erste und die wenigstens eine weitere Raumrichtung parallel oder in einem Winkel zueinander verlaufen können.
  8. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 7, wobei wenigstens einige der Blenden mit jeweils einer Verstelleinrichtung gekoppelt sind, wobei die Blenden über die Verstelleinrichtungen zur Variation der Abdeckung der Schlitzöffnungen verstellbar angeordnet sind.
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