www.radartutorial.eu Grundlagen der Radartechnik

Schlitzstrahler

Erregungs-
system

Bild 1: Die Länge eines Schlitzes bestimmt dessen Resonanzfrequenz, die Breite des Schlitzes die Breitbandigkeit der Schlitzstrahlers.

Erregungs-
system

Bild 1: Die Länge eines Schlitzes bestimmt dessen Resonanzfrequenz, die Breite des Schlitzes die Breitbandigkeit der Schlitzstrahlers.

Schlitzstrahler

Schlitzstrahler sind Antennen, die oft in Navigationsradargeräten im Frequenzbereich von etwa 300 MHz bis 25 GHz, meist als durch einen Hohlleiter gespeiste Gruppenantennen verwendet werden. Aber auch ältere große Phased-Array-Antennen benutzten das Prinzip, weil die Schlitzstrahler eine sehr preiswerte Möglichkeit für Gruppenantennen mit frequenzabhängiger Strahlschwenkung sind. Bei Schlitzantennen wird ein etwa λ/2 langer, aber schmaler (kleiner als 0,1 λ) Schlitz in eine (als unendlich ausgedehnt betrachtete) leitende Platte geschnitten und im Zentrum erregt. Dieser Schlitz verhält sich nach dem Babinetschen Theorem als Resonanzstrahler. Jacques Babinet (1794 - 1872) war ein französischen Physiker, der 1837 das Theorem aufstellte, dass eine Dualität zwischen den Beugungsbildern eines engen Spaltes und eines dünnen Haares bestehe. Gemäß diesem Theorem können die Strahlungseigenschaften eines Schlitzes durch die gleichen Eigenschaften eines Ersatzdipols derselben Größe ausgedrückt werden. Ein vertikaler Schlitz hat dasselbe Strahlungsdiagramm wie ein vertikaler Dipol, gibt jedoch ein horizontales Feld, das heißt, die Ebenen der elektrischen und magnetischen Felder haben ihre Plätze gewechselt. Beim vertikalen Dipol schwingt der Vektor des elektrischen Feldes in der Vertikalebene, beim vertikalen Schlitz schwingt er in der Horizontalebene, das heißt hier senkrecht zum Schlitz. Die Polarisation ist linear.

Bild 2: Verschiedene Breitband-Schlitzstrahler.

Der Strahlungswiderstand (die Impedanz) eines engen Schlitzes ergibt sich aus:

Zd · Zs = η2/4 mit Zs = Strahlungswiderstand des Schlitzes
Zd = Strahlungswiderstand eines Dipols
η  = Wellenwiderstand des freien Raumes
(1)

Daraus folgt für Zs = 485 Ω.

Die Abmessungen des Schlitzes, dessen Form und gegebenenfalls sein Hintergrund können variiert werden und bieten Abstimmmöglichkeiten um seine Resonanzeigenschaften zu ändern. Die Bandbreite eines rechteckigen schmalen Schlitzes ist gleich der des Ersatzdipols und ungefähr gleich der Hälfte der Bandbreite eines zylindrischen Dipols mit einem Durchmesser der gleich der Schlitzweite ist. Bild 2 zeigt von der Rechteckform abweichende Schlitze, welche die Bandbreite des Schlitzstrahlers erhöhen.

Bild 2: Verschiedene Breitband-Schlitzstrahler.

Obwohl die Theorie eine unendlich ausgebreitete leitende Fläche fordert, ist die Abweichung vom theoretischen Wert klein wenn die Fläche größer als das Quadrat der Wellenlänge ist. Die Speisung der Schlitzstrahler kann mit gewöhnlicher Zweidrahtleitung erfolgen. Wie bei einem Dipol hängt die Impedanz vom Speisepunkt ab. Der Wert von 485 Ω gilt nur für eine Speisung im Mittelpunkt. Eine Verschiebung vom Mittelpunkt hin zum Rand verringert stetig die Impedanz.

Die Anwendung von Schlitzen kann vielfältig sein. Sie können Dipole ersetzen, wenn die Polarisation etwa senkrecht zur Längsausdehnung des Strahlers gefordert wird. Wird zum Beispiel ein Dipol zur Speisung einer Parabolantenne mit Fächerdiagramm verwendet, so müsste er horizontal aufgestellt werden, wenn eine horizontale Polarisation gefordert wird. Das hätte zur Folge, dass die Randflächen des Reflektors nicht ausreichend ausgeleuchtet werden, aber viel Energie oberhalb und unterhalb des Reflektors verlorengehen würde. Hinzu käme, dass die Längenausdehnung eines Dipols in einer Ebene liegt, in der gerade eine punktförmige Strahlungsquelle für den Fokus des Parabolspiegels gefordert wird. Wird in diesem Fall der Dipol durch einen Schlitzstrahler ersetzt, so treten diese Nachteile nicht auf.

Bild 3: Verschiedene Schlitzanordnungen in einem Hohlleiter.

Schlitze in Hohlleitern

Bild 3: Verschiedene Schlitzanordnungen in einem Hohlleiter.

Schlitzanordnungen in Hohlleitern bieten eine kostengünstige Möglichkeit der Konstruktion von Gruppenantennen. Bild 3 zeigt einen rechteckigen Hohlleiter mit einer mit roten Linien gezeichneten Momentanaufnahme der schematischen Stromverteilung in den Hohlleiterwänden. Werden Schlitze in die Wände gefräst, so wird der Stromfluss je nach Lage des Schlitzes mehr oder weniger stark beeinflusst. Sind die Schlitze genügend schmal, so werden die Schlitze B und C aus dem Bild 3 nur wenig Einfluss auf die Stromverteilung haben. Diese beiden Schlitze werden also wenig bis gar nicht abstrahlen. Die Schlitze A und D hingegen stellen für den Stromfluss Hindernisse dar. Somit wirkt dieser Stromfluss als Erregersystem für den Schlitz als Strahler. Da die Schwingung in dem Hohlleiter sich vorwärts bewegt, wandern auch diese gezeichneten Linien. Der Schlitz erhält also abhängig von der Frequenz der im Hohlleiter transportierten Schwingung immer abwechsend ein Spannungspotenzial an den Schlitzkanten. So wie diese Schlitze A und D gezeichnet sind, haben sie die stärkste Kopplung zu der transportierten HF-Energie im Hohlleiter. Um diese Kopplung zu verringern, könnte zum Beispiel der Schlitz A näher an eine der kürzeren Hohlleiterwände verschoben werden. Den gleichen Effekt hätte ein Verdrehen der Schlitze auf einen vom rechten Winkel abweichenden Winkel zwischen den Positionen A und B beziehungsweise C und D. Im Falle einer Drehung des Schlitzes entspricht die Kopplung etwa einem Faktor von sin2 des Drehwinkels θ, der die Abweichung von der senkrechten Lage bei Schlitz D oder von der parallelen Lage bei Schlitz A darstellt.

Bild 4: Gruppenantenne mit Schlitzstrahlern an der breiteren Wand.

Gruppenantennen

Bild 4: Gruppenantenne mit Schlitzstrahlern an der breiteren Wand.

Mehrere Schlitzstrahler in einem Hohlleiter bilden eine Gruppenantenne. Damit die Einzelstrahler in der richtigen Phasenlage strahlen, müssen sie im gleichem Abstand zur Wellenlänge, die im Inneren des Hohlleiters gilt, angebracht sein. Diese Wellenlänge unterscheidet sich von der Wellenlänge im freien Raum und ist eine Funktion von der längeren Seite a eines rechteckigen Hohlleiters. Sie wird für den meist genutzen H10-Mode berechnet nach:

Bild 5: Gruppenantenne mit um etwa 30° gedrehten Schlitzstrahlern an der schmaleren Wand.

a  = längere Seite des rechteckigen Hohlleiters
λh = Wellenlänge im Hohlleiter
λ  = Wellenlänge im freien Raum
(2)

Bild 5: Gruppenantenne mit um etwa 30° gedrehten Schlitzstrahlern an der schmaleren Wand.

Die Wellenlänge im Hohlleiter ist etwas länger als im freien Raum. Mit dieser Wellenlänge wird dann jedoch der Abstand der Radiatoren in der Gruppe auf einen Wert etwas größer als die Wellenlänge λ des freien Raumes festgelegt. Dadurch wird Größe und Anzahl der Nebenkeulen ungünstig beeinflusst. Die Schlitze werden oft exzentrisch (mit verringerter Kopplung) und alternierend links und rechts von der Mitte angebracht. Bei einer Anbringung an der schmalen Seite des Hohlleiters kann es vorkommen, dass diese kürzer ist, als die notwendige Resonanzlänge für den Schlitzstrahler. In diesem Fall kann der Schlitz durchaus auch um die Ecken herumgeführt werden, also geringfügig auch auf die a- Seiten des Hohlleiters reichen. In praktisch aufgebauten Schlitzantennen werden diese Schlitze im Hohlleiter zum Schutz des Inneren alle mit einem dünnen isolierenden Material abgedeckt. Dieses Material darf nicht hygroskopisch sein oder es muss vor Witterungseinflüssen geschützt werden.

Ein einzelner schmaler Schlitzstrahler kann auch auf Frequenzen ±5 … ±10% neben seiner Resonanzfrequenz arbeiten. Für Gruppenantennen ist das hingegen nicht mehr so ohne Weiteres möglich. Eine solche Gruppenantenne ist durch die Abstände von exakt λg stark auf die Frequenz fixiert, für die diese Abstände optimiert wurden. Ändert sich die Frequenz, dann stimmen diese Abstände nicht mehr, die Leistung der Antenne lässt nach. Der von Strahler zu Strahler auftretende Phasenunterschied addiert sich auf die Länge der Antenne zu Werten, die nicht mehr tolerierbar sind. Diese Antenne beginnt dann zu „schielen“, das heißt das Antennendiagramm zeigt in eine andere Richtung als die optische Mittelachse. Dieser Effekt kann auch ausgenutzt werden, um eine elektronische Schwenkung des Antennenstrahls als Funktion der Änderung der Sendefrequenz zu erreichen.