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Die
Erfindung betrifft einen Hohlleiter-Strahler, insbesondere für Synthetik-Apertur-Radar-Systeme, gemäß Anspruch
1.
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Hohlleiter-
oder Gruppenantennen-Strahler bzw. Strahlergruppen (Radiatoren)
werden beispielsweise in Phased Array Antennen von Synthetik-Apertur-Radar(SAR)-Systemen
mit einfacher und dualer Polarisation eingesetzt. Bisher werden
als Strahler sog. Microstrip-Patch-Antennen oder geschlitzte Hohlleiterantennen verwendet.
Erstere weisen hohe elektrische Verluste auf und sind durch ihr
elektrisches Speisenetzwerk nicht effizient in größeren Strahlerlängen als
ca. sieben Wellenlängen
realisierbar (im X-Band ca. 20 cm). Letztere erfordern durch ihr
elektrisch resonantes Verhalten eine sehr hohe Fertigungsgenauigkeit
und sind als dual polarisierte Strahlergruppen nur sehr aufwendig
reproduzierbar. Beispielsweise sind Hohlleiter mit Innenstegen für eine vertikale
Polarisation bzw. schräg
eingebrachte Drähte
für eine
horizontale Polarisation sowie komplizierte Hohlleiter-Einkopplungen
erforderlich.
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Aufgabe
der vorliegenden Erfindung ist es daher, einen effizienten und insbesondere
kostengünstig implementierbaren
Hohlleiter-Strahler, insbesondere für SAR-Systeme vorzuschlagen.
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Diese
Aufgabe wird durch einen Hohlleiter-Strahler, insbesondere für SAR-Systeme mit den Merkmalen
nach Anspruch 1 gelöst.
Weitere Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den abhängigen Ansprüchen.
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Ein
wesentlicher Gedanke der Erfindung besteht darin, als Strahler einen
geschlitzten Hohlleiter zu verwenden, in dem ein zusätzlicher
Innenleiter, eine sogenannte Barline angebracht ist. Dieser Innenleiter
ist insbesondere polarisationsabhängig speziell geformt, um alle
Schlitze des Hohlleiters phasengleich anzuregen. Zur Befestigung
des Innenleiters kann eine Schicht Dielektrikum im Hohlleiter angebracht
werden, auf dessen Oberseite der Innenleiter montiert ist, beispielsweise
durch eine Klebung. Eine Einkopplung kann in der Strahlermitte durch
einen direkten Koaxialübergang
erfolgen, bei dem die Seele eines angekoppelten Koxialkabels mit
dem Innenleiter verbunden ist.
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Der
erfindungsgemäße Gruppenantennen-Strahler
eignet sich besonders gut für
Phased Array Antennen von SAR-Systemen mit einfacher und dualer
Polarisation, insbesondere für
Strahler in satellitengestützten SAR-Systemen
mit Receive-only Aperturen wie HRWS(High Resolution Wide Swath)-SAR-Systemen, evtl. für Strahler
in C-Band-SAR-Systemen wie Sentinel 1 und für Strahler in X-Band Systemen ähnlich TerraSAR/Tandem-X.
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Die
Erfindung hat den Vorteil, dass im Gegensatz zu herkömmlichen
geschlitzten Hohlleitern die Ausbreitungsmoden nicht mehr dispersiv
sind, sondern denen in Koaxialleitungen, d. h. TEM-Moden entsprechen. Hierdurch
kann sich die Bandbreite erhöhen.
Außerdem
können
die Querschnitte der Hohlleiter erheblich in ihrer Größe reduziert
werden, da bei TEM-Moden keine untere Grenzfrequenz (sog. Cutoff)
existiert. Ein weiterer Vorteil besteht darin, dass die Resonanz
unabhängig
vom Querschnitt ist, womit sich Fertigungstoleranzen nicht mehr
negativ auf die elektrische Performance auswirken. Ferner ist vorteilhaft,
dass die Einkopplung bei der Erfindung durch einen direkten Koaxialübergang
erfolgen kann, der mechanisch sehr einfach zu realisieren ist, beispielsweise
durch handelsübliche
SMA-Einbaubuchsen.
Schließlich
können
mit der Erfindung gegenüber
Mikrostrip-Patch-Antennen
deutlich größere Strahlerlängen realisiert
werden, beispielsweise bis etwa 80 cm im X-Band.
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Die
Erfindung betrifft nun gemäß einer
Ausführungsform
einen Hohlleiter-Strahler,
insbesondere für SAR-Systeme,
umfassend
- – einen
geschlitzten Hohlleiter mit einer Mehrzahl von in dem Hohlleiter
angebrachten Schlitzen; und
- – einen
in dem Hohlleiter innen angebrachten zusätzlichen Innenleiter, der polarisationsabhängig derart
geformt ist, dass alle Schlitze des Hohlleiters Phasen- und amplitudengleich
angeregt werden können.
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In
einer weiteren Ausführungsform
kann der geschlitzte Hohlleiter teilweise mit einem dielektrischen Material
gefüllt
sein, auf dem der zusätzliche
Innenleiter angeordnet ist. Dies hat den Vorteil, dass eine solche Ausführungsform
eine einfache Herstellung und trotzdem robuste Anordnung des zusätzlichen
Innenleiters in dem Hohlleiter ermöglicht.
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Auch
kann der zusätzliche
Innenleiter in einer Ausführungsform
eine gewundene Form aufweisen. Dies hat den Vorteil, dass hierdurch
eine Anpassung der Ausbreitungsgeschwindigkeit in longitudinaler
Richtung vorgenommen werden kann und damit der Phasenverlauf auf
dem Innenleiter an den Abstand der Schlitze angepasst werden kann,
so dass durch die gewundene Form sichergestellt wird, dass alle
Schlitze des geschlitzten Hohlleiter-Strahlers phasengleich angeregt
werden.
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Ferner
kann auch der zusätzliche
Innenleiter unsymmetrisch sein. Dies bietet insbesondere dann einen
Vorteil, wenn die Speisung des Hohlleiters in longitudinaler Richtung
aus dem Zentrum versetzt ist. Hierdurch kann ein beliebiges Phasenverhältnis zwischen
linker und rechter Hälfte
des Hohlleiters eingestellt werden, insbesondere lässt sich
eine phasengleiche Abstrahlung einer Welle aus allen Schlitzen des
Hohlleiters erreichen.
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Auch
kann der geschlitzte Hohlleiter transversale Schlitze aufweisen,
wodurch der Hohlleiter ausgebildet ist, um horizontal polarisierte
Wellen abzustrahlen. Hierdurch lassen sich in Kombination mit dem
Innenleiter eine hohe Effizienz und eine hohe Reinheit der horizontal
polarisierten Welle sicherstellen.
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Weiterhin
kann gemäß einer
Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung eine Speisung des Hohlleiters in longitudinaler
Erstreckungsrichtung unsymmetrisch angeordnet sein. Dies bietet
den Vorteil dass eine solche Speisung des Hohlleiters zwei Hälften desselben
definiert, so dass ein auf dem zusätzlichen Innenleiter geleitetes
Signal in den beiden Hohlleiter-Hälften eine voneinander unterschiedliche
Phase aufweisen kann. Dies ermöglicht
eine Anpassung des Strahlungsverhaltens von sich auf dem zusätzlichen
Innenleiter von der Speisung in entgegengesetzten Richtungen fortbewegenden
Wellen.
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Auch
ist es günstig,
wenn die Speisung des Holleiters derart in demselben angeordnet
ist, dass durch die Speisung zwei Hohlleiterabschnitte definiert
werden, in denen sich bei Betrieb des Hohlleiters eine Welle mit
einer Phasendifferenz von etwa 180° bezogen auf das Zentrum des
Hohlleiters ausbreitet. Dies ermöglicht, dass
alle Schlitze bei der Mittenfrequenz mit gleicher Phase angeregt
werden, wodurch sich die hohe Reinheit des Strahlungsverhaltens
eines solchen Hohlleiter-Strahlers erzielen lässt.
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Der
zusätzliche
Innenleiter kann auch in einer weiteren Ausführungsform eine gewundene Form
aufweisen. Die Länge
und Anzahl der Windungsabschnitte ist dabei derart an den Abstand
der Schlitze angepasst, so dass sich immer eine feste Anzahl von
Windungsabschnitten zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen befindet.
Insbesondere so, dass die gewundene Form in einem Windungsabschnitt
einen Rotationswinkel phi
h und einen Radius
x
h hat, bei dem
gilt, wobei mea
wh die
transversale Ausprägung
eines Windungsabschnitts und mea
lh die Länge eines
Windungsabschnitts des zusätzlichen
Innenleiters definiert. Dies hat den weiteren Vorteil, dass sich
durch geeignete Wahl der Windungsstärke und Anzahl der Windungsabschnitte
des zusätzlichen
Innenleiters zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen sicherstellen
lässt,
dass die gewünschte
Anregung der einzelnen Schlitze in dem vorgegebenen Phasenverhältnis zueinander
erfolgt.
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Ferner
kann in einer weiteren Ausführungsform
der zusätzliche
Innenleiter ausgehend von einem in einem Mittelbereich des zusätzlichen
Innenleiters angeordneten Speisepunkt in Richtung der Hohlleiter-Enden eine
Mehrzahl von gleichen Windungsabschnitten aufweisen. Dies unterstützt zusätzlich die
gleichphasige Anregung der einzelnen Schlitze des Hohlleiters.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann zwischen dem Speisepunkt und einem
ersten Windungsabschnitt des Innenleiters ein gerades Segment des
Innenleiters angeordnet sein. Dies bietet den Vorteil, dass durch
das Vorsehen eines solchen kurzen geraden Segments zwischen dem
Speisepunkt und dem ersten Windungsabschnitt des Innenleiters eine
fein einstellbare Abstimmung des Phasenganges einer Schwingung auf
diesem Abschnitt des zusätzlichen
Innenleiters möglich
ist, ohne eine Korrektur oder Anpassung der Geometrie des Windungsabschnitts
durchführen
zu müssen.
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In
einer weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der Innenleiter im Bereich eines Endes
des Hohlleiters ein gerades Innenleiter-Segment als offenen Leitungsabschluss
aufweisen. Die elektrische Länge
dieses Leitungsabschlusses ist dabei auf ein Viertel der Leitungswellenlänge dimensioniert.
Damit lässt
sich erreichen, dass die Stromüberhöhungen der
sich ausbildenden stehenden Welle sich exakt unter den Schlitzen
befinden und somit eine optimale Anregung der Schlitze zum Strahlen
gewährleistet
ist. Dies lässt sich
durch den offenen Leitungsabschluss in Form des geraden Segmentes
gut und einfach realisieren.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann der geschlitzte Hohlleiter longitudinal
angeordnete Schlitze aufweisen, wodurch der Hohlleiter ausgebildet
ist, um vertikal polarisierte Wellen abzustrahlen. Eine solche Ausführungsform
der Erfindung bietet dann auch wieder den Vorteil, dass eine vertikal
polarisierte Welle hoch-effizient und mit einem hohen Reinheitsgrad
erzeugt und von dem Hohlleiter-Strahler abgestrahlt werden kann.
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Günstig ist
es auch, wenn der zusätzliche
Innenleiter einen Speisepunkt aufweist, der mittig in dem geschlitzten
Hohlleiter und symmetrisch zu den Schlitzen angeordnet ist. Dies
ermöglicht
bei longitudinal angeordneten Schlitzen in dem Hohlleiter eine Phasen-synchrone
Anregung, so dass die einzelnen Schlitze eine Welle phasengleich
abstrahlen.
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Der
zusätzliche
Innenleiter kann in einer weiteren Ausführungsform eine gewundene Form
mit einer Mehrzahl von Windungsabschnitten aufweisen. Hierdurch
lässt sich
vorteilhaft eine Anpassung der Wellenlänge einer auf dem zusätzlichen
Innenleiter geführten
Wellen an die Abstände
der einzelnen Schlitze durchführen.
Zusätzlich
kann hierdurch erreicht werden, dass eine phasengleiche Abstrahlung
aller Schlitze sichergestellt ist.
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Auch
kann ein Windungsabschnitt einen geraden Abschnitt und einen gekrümmten Abschnitt
aufweisen. Insbesondere kann der gekrümmte Abschnitt eine transversale
Führung
einer sich auf dem zusätzlichen Innenleiter
fortbewegenden Welle im Bereich der Schlitze bewirken, so dass durch
den Stromfluß transversal zur
Schlitzlänge
eine optimale Abstrahlung einer elektromagnetischen Welle durch
den Schlitz sichergestellt wird.
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Insbesondere
kann der gekrümmte
Abschnitt drei Krümmungsabschnitte
aufweisen, von denen ein erster und dritter Krümmungsabschnitt je einen ersten
bzw. dritten Krümmungsradius
x
1 und einen ersten bzw. dritten Krümmungswinkel
phi
1v gemäß
und ein
zwischen dem ersten und dritten Krümmungsabschnitt angeordneter
zweiter Krümmungsabschnitt
aus zwei Teilkrümmungsabschnitten
mit jeweils einem zweiten Krümmungsradius
x
2 und einem zweiten Krümmungswinkel phi
2v gemäß
aufweist,
wobei mea
wv die transversale Ausprägung des
zweiten Krümmungsabschnitts
und mea
dv die Länge der drei Krümmungsabschnitte
des zusätzlichen
Innenleiters definiert. Bei dieser Geometrie ergibt sich eine transversale
Ausprägung
des ersten und dritten Krümmungsabschnitts,
die genau halb so groß ist
wie die transversale Ausprägung
des zweiten Krümmungsabschnitts.
Durch eine solche Geometrie im Bereich des gekrümmten Abschnitts des zusätzlichen
Innenleiters verläuft
dieser im mittleren Bereich des darüberliegenden Schlitzes transversal.
Die hierdurch erzeugten transversalen Ströme regen den Schlitz zum Abstrahlen
einer vertikal polarisierten Welle an.
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Weiterhin
kann der Innenleiter im Bereich eines Endes des Hohlleiters einen
offenen Leitungsabschluss aufweisen, der einem Teil eines gekrümmten Abschnittes
mit einem ersten Krümmungsabschnitt,
gefolgt von einem geraden Leitersegment und weiter gefolgt von einem
zweiten Krümmungsabschnitt
sowie einem weiteren geraden Innenleiter-Segment aufweist. Hierdurch
wird eine Art „halber" Windungsabschnitt
im Bereich eines Endes des Hohlleiters gebildet, so dass auch am
Ende des Hohlleiters eine transversale Wellenführung und damit eine transversale
Auslenkung des Wellenfeldes ermöglicht
wird, so dass der äußerste Schlitz
in gleicher Weise wie die sich davor befindenden Schlitze zum Strahlen
angeregt wird. Der offene Leitungsabschluss ist dabei von seiner
Länge so
dimensioniert, dass die sich auf dem Innenleiter ausbildende stehende
Welle Stromüberhöhungen an
den transversal geführten
Leitungsabschnitten mittig unter den darüberliegenden Schlitzen aufweist.
Hierdurch wird ein optimales Abstrahlverhalten aller Schlitze sichergestellt.
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Gemäß einer
anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung weist ein Gruppenantennen-Strahler folgende
Merkmale auf:
- – einen ersten Hohlleiter-Strahler,
der ausgebildet ist, um bei einem Betrieb horizontal polarisierte
Wellen auszugeben; und
- – einen
zweiten Hohlleiter-Strahler, der ausgebildet ist, um bei einem Betrieb
vertikal polarisierte Wellen auszugeben.
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Weiterhin
können
der erste und zweite Hohlleiter-Strahler longitudinal zueinander
ausgerichtet sein und eine gleiche Länge aufweisen. Hierdurch kann
eine TEM-Welle durch die beiden Hohlleiter-Strahler in einem räumlich kleinen
Bereich ausgegeben werden, so dass in einer größeren Entfernung von den Öffnungen der
Hohlleiter-Strahler nicht mehr unmittelbar erkennbar ist, dass die
TEM-Welle von den beiden Hohlleiter-Strahlern erzeugt wurde.
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Auch
kann der erste Hohlleiter-Strahler gegenüber dem zweiten Hohlleiter-Strahler horizontal
und vertikal versetzt angeordnet sein. Hierdurch können vorteilhaft
Einsatzparameter für
den Gruppenantennen-Strahler variiert oder angepasst werden, die
sich aus dem verwendeten Wellenlängen-Bereich
ergeben, für
den der Gruppenantennen-Strahler vorgesehen ist.
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In
einer anderen Ausführungsform
der vorliegenden Erfindung kann ein elektrisch leitfähiges Material in
dem durch den Versatz entstehenden Bereich angeordnet sein. Dies
bietet den Vorteil, dass bei einem Versatz der beiden Hohlleiter-Strahler
gegeneinander in dem durch den Versatz auftretenden Bereich keine
Störstrahlungen
entstehen können.
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Gemäß einer
weiteren Ausführungsform
der Erfindung ist eine Synthetik-Apertur(SAR)-Radarvorrichtung,
insbesondere hochauflösende
Synthetik-Apertur-Radarvorrichtung,
vorgesehen, die einen Hohlleiter-Strahler nach der Erfindung oder
einen Gruppenantennen-Strahler umfasst. Bei der SAR-Vorrichtung kann es
sich insbesondere um ein HRWS-System handeln. Der Gruppenantennenstrahler
kann hierzu insbesondere als Strahler für ein C-Band-SAR-System wie Sentinel 1 ausgebildet
sein sowie als Strahler für
ein X-Band System ähnlich
TerraSAR/Tandem-X.
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Weitere
Vorteile und Anwendungsmöglichkeiten
der vorliegenden Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung
in Verbindung mit den in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen.
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In
der Beschreibung, in den Ansprüchen,
in der Zusammenfassung und in den Zeichnungen werden die in der
hinten angeführten
Liste der Bezugszeichen verwendeten Begriffe und zugeordneten Bezugszeichen verwendet.
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Die
Zeichnungen zeigen in:
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1 eine
Ansicht eines horizontal-polarisierenden(HP-)Hohlleiters gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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2 eine
interne Konfiguration des in 1 dargestellten
HP-Hohlleiters;
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3 einen
Querschnitt eines HP-Hohlleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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4 eine
transversale Schlitzverteilung auf einem HP-Hohlleiter;
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5 eine Übersicht über die
Schlitzparameter auf einem HP-Hohlleiter;
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6 Asymmetrien
zwischen der Mitte und dem ersten Schlitz in jeder Richtung;
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7 eine
Darstellung der geometrischen Parameter des HP-Innenleiterdesigns;
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8 eine
Darstellung eines Windungsabschnitts des HP-Innenleiters;
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9 eine
Darstellung der Geometrie der Windungslinie gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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10 einen
offenen Leitungsabschluss am Ende eines Innenleiter-HP-Hohlleiters gemäß einem Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung;
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11 eine
Darstellung des Versatzes einer HP-Hohlleiterspeisung;
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12 eine
Darstellung des Querschnitts einer Hohlleiter-Speisung;
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13 eine
Darstellung der Draufsicht der Hohlleiterspeisung;
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14 eine
Ansicht eines vertikal-polarisierenden(VP-)Hohlleiters;
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15 eine
Darstellung des inneren Aufbaus eines VP-Hohlleiters;
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16 eine
Querschnittsdarstellung durch einen VP-Hohlleiter;
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17 eine
Darstellung der Schlitz-Verteilung entlang einem VP-Hohlleiter;
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18 eine Übersicht über die
Schlitzparameter eines VP-Hohlleiters;
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19 eine
Seitenansicht der Geometrie einer Hohlleiterspeisung;
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20 eine
Draufsichtdarstellung der Hohlleiterspeisung in Form einer Koaxialspeisung;
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21 eine
Darstellung einer Form eines Innenleiters in einem VP-Hohlleiter;
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22 eine Übersicht über die
geometrischen Parameter eines Innenleiter-Designs;
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23 eine
Darstellung von zwei ersten Windungsabschnitten eines Innenleiter-VP-Hohlleiters;
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24 eine
Darstellung eines offenen Leitungsabschlusses am Ende eines VP-Hohlleiters;
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25 eine
Ansicht eines HP-VP-Hohlleiters als Gruppenantennen-Strahler;
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26 eine Übersicht über die
geometrischen Parameter eines dual-polarisierten Strahlers;
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27 eine
graphische Darstellung der Reflexionsdämpfung in dB für einen
VP- und einen HP-Strahler;
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28 eine
graphische Darstellung eines Kopplungsverhaltens zwischen VP- und
HP-Strahler in dB;
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29 eine
graphische Darstellung der Direktivität eines HP-Strahlers im Azimuth-Fernfeld;
und
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30 eine
graphische Darstellung der Direktivität eines VP-Strahlers im Azimut-Fernfeld.
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Im
Folgenden können
gleiche und/oder funktional gleiche Elemente mit den gleichen Bezugszeichen versehen
sein. Die im Folgenden angegebenen absoluten Werte und Maßangaben
sind nur beispielhafte Werte und stellen keine Einschränkung der
Erfindung auf derartige Dimensionen dar.
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Die
nachfolgenden Ausführungen
beschreiben die Konfiguration eines dual polarisierten Mikrowellenantennenstrahlers,
genannt TEM-Strahler. Das Anwendungsgebiet sind die planaren Phased-Array-Antennen, wie
sie in den Synthetik-Apertur-Radarsystemen (SAR) der Luftfahrt oder
Raumfahrt als strahlendes Element benutzt werden. Für diese
Anwendungen werden gewöhnlich
Mikrostreifen-Patch oder geschlitzte Hohlleiterantennen verwendet,
obwohl sie einige Nachteile mit sich bringen, die mit dieser neuen
Strahlerart überwunden
werden können.
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Die
erforderlichen Eigenschaften der Strahler sind hohe elektrische
Effizienz (niedrige ohmsche Verluste), ausreichend hohe Bandbreite
und kreuzpolare Unterdrückung.
Für ein
flexibles Gruppenantennendesign ist es zusätzlich wünschenswert, Strahler zu haben,
die leicht in der Größe skalierbar
sind.
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Das
Mikrostreifen-Patch ist ein Strahler, der verhältnismäßig einfach herzustellen ist,
auch wenn die elektrische Leistungsfähigkeit durch hohe ohmsche
Verluste begrenzt wird, die für
längere
Strahlerlängen
besonders ausgeprägt
sind. Folglich ist der Einsatz von Mikrostreifen-Patches eingeschränkt auf
Anwendungen mit kurzen Phasenzentren, die nur für einen hochauflösenden Betriebsmodus
(z. B. Spotlight-Modus) erforderlich sind.
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Die
geschlitzte Hohlleiterantenne ist ein hoch effizienter Strahler,
der in einigen Ramfahrt-SAR-Missionen zur Anwendung kam (z. B. X-SAR,
SRTM, TerraSAR-X). Doppelpolarisationfähigkeit wird durch ein paralleles
Hohlleiterkonzept erzielt, in dem zwei separate Hohlleiter, mit
einem für
jede lineare Polarisation, nebeneinander ausgerichtet sind. Wegen
des Resonanzverhaltens ist die Anwendung dieser Strahler auf Schmalband- Anwendungen begrenzt.
Zusätzlich
ist seine Herstellung sehr teuer, da sehr hohe mechanische Präzision erforderlich
ist und die Geometrie des Strahlers sehr komplex ist. Nachdem der
Trend in modernen SAR-Systemen hin zu höheren Bandbreiten und zugleich
niedrigeren Einsatzkosten geht, wird der geschlitzte Hohlleiter
für zukünftige SAR-Missionen
immer weniger attraktiv. Stattdessen sind alternative Strahlerdesigns gefordert,
die die elektrische Leistungsfähigkeit
des geschlitzten Hohlleiters (hohe Effizienz und Polarisationsreinheit)
zusammen mit niedrigen Produktionskosten kombinieren. Zu diesem
Zweck ist der TEM-Strahler entwickelt worden.
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Der
TEM-Strahler ist eine Verbesserung herkömmlicher geschlitzter Hohlleiter-Antennen.
Diese Verbesserung wird erzielt, indem man einen inneren Leiter
(Innenleiter, Barline) in den Hohlleiter hinzufügt, der für jede Polarisation speziell
angepasst ist. Der innere Leiter ändert das grundlegende elektrische
Verhalten des Hohlleiters. Der Name „TEM-Strahler" stammt von den elektrischen
Moden, die sich in diesem Hohlleiter ausbreiten. TEM bedeutet „transversal-elektrisch-magnetisch". Eine Haupteigenschaft
dieser Moden ist, dass sie nicht dispersiv sind. An diesem Punkt
unterscheidet sich der TEM-Strahler von den herkömmlichen geschlitzten Hohlleitern
die auf TE-Moden
basieren, die dispersives Verhalten zeigen und deren Resonanz in
hohem Maße
vom Querschnitt des Hohlleiters abhängig ist. Abhängig von
der Grenzfrequenz des Hohlleiters (Cutoff) schränkt die Dispersion erheblich
die erreichbare Bandbreite ein.
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Die
Innenleiter im TEM-Strahler können
durch einen Ätz-
oder einen Fräsprozess
leicht zu sehr niedrigen Kosten hergestellt werden. Die Hohlleiter
können
aus Aluminium mit einer attraktiven Eigenschaft gefertigt werden,
derart, dass mehrere Strahler zusammen in einem Block gruppiert
werden (Fliesen-Konzept).
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Nachfolgend
wird die detaillierte geometrische Konfiguration der TEM-Strahler
beschrieben, beginnend mit einer separaten Beschreibung für jede Polarisation
(H/V-pol.). Dann wird die Konfiguration des kompletten dual- polarisierten Strahlers
beschrieben. Schließlich
wird die gemessene elektrische Leistungsfähigkeit gezeigt. Das Design
ist exemplarisch für
einen Strahler im X-band (Mittelfrequenz: 9,65 GHz) und eine Strahlerlänge von
400 mm entworfen. Der Strahler kann leicht auf eine andere Mittenfrequenz
(z. B. C-Band) oder auf andere Strahlerlängen skaliert werden, indem
man die Zahl der Schlitze ändert.
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Geometrische Beschreibung
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In
diesem Abschnitt wird eine Zusammenfassung aller Parameter und Designverfahren
von HP- und VP-Holleiter gegeben.
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– Horizontale
Polarisation (HP)
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In 1 wird
eine allgemeine Perspektive des horizontal polarisierten Hohlleiters 10 gezeigt.
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Die
in den Entwurf eines HP-Strahlers angewendete Technik folgt den
gleichen Prinzipien wie bei dem VP-Strahler. Die externe Form des
Hohlleiters 10 entspricht der des HP-Strahlers im Terra-SAR
X. Doch um die Schlitze anzuregen, wird ein entlang dem Hohlleiter 10 auf
eine dielektrische Schicht aufgesetzter gewundener Innenleiter 12 eingeführt (siehe 2).
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Die
folgenden Abschnitte geben eine ausführlichere Erklärung des
HP-Hohlleiterdesigns.
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– Querschnitt
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Die
Grundlage für
den HP-Strahler ist ein herkömmlicher
rechteckiger Hohlleiter 10 mit Ausmaß ah, (breite
Wandbreite) und bh (schmale Wandbreite)
wie in 3 gezeigt wird. Alle Wände haben eine Dicke w und
die Länge
des Hohlleiters 10 wird durch l definiert.
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Außerdem wird
der Hohlleiter 10 entlang seiner Länge mit Eccostock Lok, einem
dielektrischen Material mit εr gleich 1.7 gefüllt. Die Höhe des Dielektrikums wird durch
hdih parameterisiert.
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– Schlitzdesign
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Um
den rechteckigen Hohlleiter 10 in einen Strahler umzuwandeln
sind einige Querschlitze 14 in die obere Wand entlang der
Länge des
Hohlleiters 10 geschnitten worden (siehe 4).
Insgesamt 16 Schlitze 14 werden symmetrisch zur
Mitte des Hohlleiters 10, acht auf jeder Hälfte von
ihr, gesetzt. Der Abstand dsloth zwischen
den Schlitzen 14 ist eine Leitungswellenlänge λg.
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Die
Geometrie der transversalen Schlitze 14 wird in 5 gezeigt.
Wie gezeigt ist, ist die Schlitzbreite durch wsloth definiert,
und der Schlitz 14 wird in die seitliche Wand des Hohlleiters 10 in
einer Länge
lov geschnitten.
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– Innenleiterdesign
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Da
der Speisepunkt 16 nicht mitten in dem Hohlleiter 10 gesetzt
wird, ist der Innenleiter 12 im HP-Hohlleiter auch nicht
symmetrisch. Jedoch werden die Asymmetrien zwischen die Mitte des
Hohlleiters 10 und dem ersten Schlitz 14 in jeweils
jeder Richtung gesetzt (siehe 6). Das
bedeutet, um das Design zu vereinfachen berücksichtigen wir, dass der Innenleiter 12 entlang
beiden Hälften
des Hohlleiters 10 vom ersten Schlitz bis zum Ende des
Innenleiters 12 symmetrisch ist.
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Das
Design des Innenleiters 12 zwischen den Mittelschlitzen
wird nachfolgend beschrieben, wo die Speisung 16 des Hohlleiters 10 erklärt wird.
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In 7 ist
ein ausführlicheres
Bild der Windungsform, sowie der verwendeten Parameter gezeigt.
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Um
die Windung zu entwerfen, ist es nötig, einen passenden Drehungswinkel
und die Mitte der Rotationsachse zu wählen. 8 zeigt
den Windungsabschnitt, der entlang dem ganzen Hohlleiter wiederholt
wird, genauer.
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Bevor
mit dem Leiter-Design fortgefahren wird, ist es interessant, die
Ausdrücke
im Detail zu sehen, die für
die Berechnung des Radius und des Winkels verwendet wurden. 9 zeigt
einen allgemeinen Fall von zwei Innenleiterabschnitten mit Breite
m, die durch einen Windungsabschnitt verbunden werden müssen. Die erforderlichen
Parameter zur Konstruktion des Windungsabschnitts sind die Mitte
c oder der Radius R und der Winkel φ, um den gedreht werden soll.
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Entsprechend
der vorhergehenden Geometrie können
zwei gleichlange Dreieck-Schenkel (die Seitenlängen entsprechen m, m und 2·a) in
beiden geraden Linien-Abschnitten definiert werden. Die „Verbindungskante" (auch „join edge" genannt, wo die
zwei Windungsabschnitte zusammengeführt werden) wird dadurch definiert,
dass man die mittlere parallele Linie durch das Parallelogramm heranzieht,
das zwischen beiden Dreiecken gebildet wird. Diese Kante und die
Verlängerung
der schmalen Seite des Wellenabschnitts definieren den Umdrehungsradius.
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Diese
Geometrie beachtend, können
einige Aussagen getroffen werden:
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Daher
kann φ leicht
durch Gleichung (2.2) errechnet werden.
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Um
R zu erhalten kann der Strahlensatz für die beiden gleichen Dreieck-Schenkel aus 9 angewendet
werden.
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Wird
der Wert von r ausgerechnet und in (2.1) eingesetzt, wird der folgende
Ausdruck erhalten:
Hieraus
folgt:
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Der
Geometrie-Erläuterung
im vorhergehenden Abschnitt folgend, können insbesondere die Gleichungen
(1.2) und (2.5), der Rotations-Winkel phi
h und
der Radius x
h wie folgt definiert werden:
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Die
Windung wird entlang des Hohlleiters 10 vom ersten Schlitz 14 an
symmetrisch wiederholt. Der Innenleiter 12 ist auf beiden
Seiten mit einem offenen Leitungsabschluss 20 der Länge lstubh begrenzt, wie in 10 gezeigt
ist.
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– Hohlleiterspeisungsdesign
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Im
HP-Hohlleiter 10 ist die Speisung 16 in Longitudinalrichtung
(z-Achse) nicht symmetrisch, obwohl die Schlitze 14 symmetrisch
gesetzt werden. Sie ist etwas verlegt worden, um eine Phase von
180° zwischen beiden
Hälften
des Hohlleiters 10 einzufügen. So werden alle Schlitze 14 mit
gleicher Phase bei der Mittenfrequenz angeregt (siehe 11).
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Abgesehen
von diesem Versatz ist das Speisungsdesign genau dasselbe wie im
Falle des VP-Hohlleiters. Eine Koaxialspeisung 16 (SMA-Buchse)
wird in den Hohlleiter gesteckt und der Mittelleiter wird mit dem Innenleiter-Speisungskreis mittels
einer Bohrung für
den inneren Koaxialleiter verbunden.
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In 12 wird
ein Querschnitt der Koaxialspeisung 16 gezeigt und die
unterschiedlichen Designparameter werden eingeführt.
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Wie
vorstehend erläutert
wurde, werden die Asymmetrien in dem Innenleiter 12 zwischen
die Mitte des Hohlleiters 10 und den ersten Schlitz 14 in
jeder Richtung gesetzt. Wie in 13 zu
sehen ist, ist die Speisung 16 durch ofeed entlang
der +z-Achse verlegt worden. Der Windungsabschnitt wird entlang
dem Hohlleiter 10 bis zum ersten Schlitz 14 links
und rechts vom Speisungspunkt 16 wiederholt. Wegen des
Speisungsversatzes werden eineinhalb Windungen dem rechten Zweig
des Innenleiters 12 (–z-Achse)
addiert.
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Um
die Koaxialspeisung 16 und den Innenleiter 12 zusammenzubringen,
wird eine Leitung der Breite wtfh hinzugefügt und wird
auf die Breite des Innenleiters wbarh konisch
verjüngt.
Diese Transformationsleitung ist in Bezug auf den speisenden Koaxialpunkt 16 symmetrisch.
Schließlich
wird ein gerader Abschnitt des Innenleiters 12 auf dem
rechten Zweig hinzugefügt,
um den Abstand zwischen der Speisung 16 und der Windung zu
füllen.
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Vertikale Polarisation VP
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In 14 wird
eine allgemeine Ansicht eines vertikal polarisierten Hohlleiters 10 gezeigt.
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Der
innere Aufbau mit dielektrischer Schicht und Innenleiter wird in 15 gezeigt.
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In
diesem neuen Design wird der Hohlleiter 10 teilweise mit
einem Dielektrikum gefüllt
und er strahlt dank eines Innenleiters 12, der entlang
der Hohlleiterlänge
gesetzt wird, welcher die Längsschlitze 14 anregt, die
in den Hohlleiter gefräst
worden sind. In den folgenden Abschnitten ist eine ausführlichere
Erklärung
dieses VP-Hohlleiters gegeben.
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– Querschnitt
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Die
Grundlage für
den VR-Strahler ist ein gewöhnlicher
rechteckiger Hohlleiter 10 mit Kanten av (breite Wantbereite)
und bv (schmale Wandbreite) wie in 16 gezeigt
ist. Alle seine Wände
haben eine Dicke von w und die Länge
des Hohlleiters 10 wird durch l definiert.
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Außerdem wird
der Hohlleiter 10 entlang seiner Länge mit Eccostock SH1 aufgefüllt, einem
dielektrischen Material mit εr gleich 1.04. Die Höhe des Dielektrikums wird durch
hdiv parameterisiert.
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Schlitzdesign
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Um
den rechteckigen Hohlleiter 10 in einen Strahler umzuwandeln,
werden Longitudinalschlitze 14 in die obere Wand und entlang
der Länge
des Hohlleiters 10 und symmetrisch zum Speisepunkt 16 geschnitten wie 17 zeigt.
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Die
elektrische Länge
zwischen Schlitzen 14 ist eine Leitungswellenlänge λg,
folglich müssen
die Innenleiter-Parameter so justiert werden, dass 360 Grad Phasendifferenz
zwischen aufeinanderfolgenden Schlitzen erhalten werden.
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Die
Form des Schlitzes 14 wird in 18 gezeigt.
Die Schlitzenden sind abgerundet, da dies den Fräsprozess erleichtert.
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– Hohlleiterspeisungsdesign
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Der
Strahler wird durch eine Koaxialspeisung 16 (SMA-Stecker)
versorgt, die mitten in den Hohlleiter 10 gesetzt wird,
wie 19 zeigt. Der Radius des Koaxial-Schirmes, des
Koax-Dielektrikums und des Koax-Innenleiters sind rco,
rdi beziehungsweise rs.
Die Speisung 16 ist in den Hohlleiter 10 eingefügt mit einer
Höhe der Mutter
im Inneren des Hohlleiters hnutv. Der Koax-Innenleiter
steht über
dem Leiter in Höhe
von lsolev hinaus.
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20 zeigt
die Draufsicht der Koaxialspeisung 16.
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– Innenleiter-Design
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Anstatt
einen geraden Innenleiter 12 zu verwenden, wurde ein komplexerer
in einem Entwurf des Hohlleiters 10 verwendet. 21 zeigt
eine Draufsicht davon. Er besteht aus einem gewundenen Leiter, dem
ein gerades Stück
folgt, was periodisch entlang der Länge des Hohlleiters 10 wiederholt
wird.
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Im
VP-Hohlleiter wird der Speisepunkt 16 in die Mitte des
Hohlleiters 10 gelegt. So ist der Innenleiter 12 in
Bezug auf die Zufuhr symmetrisch und wird mit einem offenen Leitungsabschluss
abgeschlossen, dessen Länge
angepasst werden muss.
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In 22 wird
ein genaueres Bild der Windungsform, sowie die zum Entwurf verwendeten
Parameter gezeigt. Die ursprünglichen
kartesischen Koordinaten werden genau in der Mitte der Hohlleiterlänge gesetzt und
zeigen, wohin die Koaxialspeisung 16 gesetzt wird. Die
Windungskurven sind entworfen, um einen Strom transversal zum Schlitz 14 zu
erhalten. Dieser transversale Strom regt den Schlitz zum Strahlen
an. Der Innenleiter 12 hat eine Breite von wbarv und
eine Dicke von tbarv.
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Der
schwierigste Teil des Designs des Innenleiters 12 ist die
Definition der gebogenen Abschnitte. Hierzu muss ein geeigneter
Radius und eine geeignete Mitte errechnet werden, um beide geraden
Abschnitte zusammenzubringen. Im VP-Hohlleiter sind drei gebogene
Abschnitte erforderlich. Sie werden in 22 bezeichnet.
Der erste (Krümmungs-)Abschnitt
(1) (auch mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet) und der
letzte (dritte Krümmungs-)Abschnitt
(3) (ebenfalls mit dem Bezugszeichen 30 bezeichnet) haben
den gleichen Radius und Winkel. Das bedeutet, dass nur zwei unterschiedliche
Geometrien erforderlich sind, die eine für den ersten Teil der Windung
und die andere für
den zweiten Teil 32 (zweiten Krümmungsabschnitt) der Windung, wie 23 zeigt.
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Unter
Berücksichtigung
der Geometrien in 23 und in 9 und
der Gleichungen (2.2) und (2.5), können der Radius und der Winkel
für beide
Windungsabschnitte wie folgt errechnet werden.
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Die
Windung wird 6-mal entlang jeder Hälfte des Hohlleiters 10 wiederholt.
Am Ende jeder Seite des Innenleiters 12 wird die Hälfte einer
Windung hinzugefügt
und der vollständige
Innenleiter 12 wird mit einem offenen Leitungsabschluss
der Länge
lstubv beendet, wie 24 zeigt.
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Abschließende Strahlerkonfiguration
gemäß einem
Ausführungsbeispiel
der vorliegenden Erfindung.
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Die
Strahler für
beide Polarisationen sind separat entworfen und simuliert worden,
aber jetzt ist es notwendig, die vollständige Strahlerleistungsfähigkeit zu
bewerten. Um den endgültigen
dual-polarisierten Strahler zu erhalten ist es notwendig, beide
Hohlleiter zusammenzusetzen. Hiermit befasst sich der nächste Abschnitt.
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In 25 wird
eine perspektivische Ansicht des kompletten Strahlers gezeigt. Es
ist ersichtlich, wie der VP-Hohlleiter und der HP-Hohlleiter mit
der gleichen Länge
l longitudinal (d. h. in z-Richtung) ausgerichtet sind. Beide Hohlleiter
werden durch einen Versatz in x- und y-Richtung verschoben.
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Beim
Aufbau von Gruppenantennen werden mehrere dual-polarisierte Strahler
in x- und y-Richtung aneinandergereit. Hierbei kann es erforderlich
sein, den Abstand der Strahler größer zu wählen als deren tatsächliche
Breite. Die hierbei enstehenden Lücken sollten durch elektrisch
leitfähiges
Material geeignet geschlossen werden um so unerwünschte Störstrahlungen zu unterdrücken. Der
Abstand zweier Strahler in y-Richtung wird mit del bezeichnet.
Der Wert dieses Abstandes stammt aus den Anforderungen des SAR-Systems
und bestimmt die Schwenkfähigkeit
des Hauptstrahles der Gruppenantenne. Für eine Schwenkfähigkeit von ±20 Grad
ergibt sich hierbei ein Abstand del von
22 Millimetern im X-Band. Da die Breite beider Hohlleiter 10 kleiner
als del ist, werden die Abstände zwischen
den Hohlleitern 10 mit leitendem Material aufgefüllt.
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Außerdem wird
der HP-Hohlleiter in y-Richtung aufwärts um einen Abstand von offsethp verschoben. Dies ist erforderlich, um
den in die seitliche Wand des HP-Hohlleiters eingeschnittenen Teil
der Schlitze freizulegen.
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Ergebnisse der elektrischen Vermessung
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Nachdem
das Design der HP- und VP-Strahler eingeführt wurde, ist es notwendig,
die Leistung beider Hohlleiter zusammen auszuwerten. So werden die
Anpassung und die Richtcharakteristik dieser Antenne durch elektrische
Vermessung ermittelt.
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– Anpassung
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Wie
in 27 gezeigt wird, liegt die Anpassung unter –15 dB bei
ca. 600 MHz zentriert um 9.65 GHz.
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28 zeigt
die Isolation zwischen H- und V-Polarisation. Es ergeben sich hinreichend
gute Werte, die weit unter den typisch geforderten Werten (z. B. < –40 dB)
liegen.
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– Richtcharakteristik
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Die
gemessenen Richtcharakteristiken in Azimuth bei Mittenfrequenz von
9,65 GHz und den zwei Randfrequenzen von 9,35 und 9,95 GHz bei einer
Bandbreite von 600 MHz für
HP- und VP-Strahler sind in 29 und 30 dargestellt.
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- 10
- Hohlleiter
- 12
- Innenleiter
- 14
- Schlitze
- 16
- Speisepunkt,
Speisung
- 18
- Windungsabschnitt
- 20
- offenes
Ende des Innenleiters
- 22
- gerades
Segment
- 24
- erster
Krümmungsabschnitt
- 26
- gewundenes
Element des Krümmungsabschnitts
- 28
- gerades
Element aus einem Windungsabschnitt
- 30
- erster
und dritter Krümmungsabschnitt
- 32
- zweiter
Krümmungsabschnitt