DE2834905A1

DE2834905A1 - Ultrahochfrequenz-phasenschieber und abtastantennen mit derartigen phasenschiebern

Info

Publication number: DE2834905A1
Application number: DE19782834905
Authority: DE
Inventors: Claude Chekroun
Original assignee: RADANT ETUDES
Current assignee: RADANT ETUDES
Priority date: 1977-12-20
Filing date: 1978-08-09
Publication date: 1979-06-21
Also published as: US4320404A; FR2412960A1; FR2412960B1

Description

PATE NTAN WAtTE DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . DIPL.-ING. W.EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN . DIPL.-ING. W. LEHN

DIPL.-ING. K. POCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) · D-8000 MÖNCHEN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATHE)

30 800

Societe d'Etudes du Radant, Orsay/Frankreich

Ultrahochfrequenz-Phasenschieber und Abtastantennen mit derartigen Phasenschiebern

Die Erfindung bezieht sich auf einen Phasenschieber und Antennen zur elektronischen Abtastung im Raum oder in einer Ebene.

Es sind mehrere Arten von Phasenschiebern bekannt, mit denen sich die PhasenVeränderungen eines Ultrahochfrequenzsignals steuern lassen, beispielsweise Phasenschieber mit Dioden zur übertragung, zur Kanalumschaltung oder mit Kopplungseffekt sowie ferritische Phasenschieber, die durch Veränderung der magnetischen Permeabilität arbeiten.

Die Phasenschieber mit Dioden bringen immer den grundlegenden Nachteil mit sich, daß der minimale Unterschied zwischen zwei Phasenwerten, den man erhalten kann, ziemlich groß bleibt; den größten Teil der Zeit liegt er aus technischen und Kostengründen bei mehr als 22,5 ; um diesen kleinsten.Unterschied zu verringern, wäre es natürlich möglich, die Anzahl der Dioden im Phasenschieber zu erhöhen; dies würde aber andererseits zu unzulässigen Energieverlusten und zu einer Arbeitsweise führen, die auf ein sehr schmales Frequenzband beschränkt ist. Außerdem er-

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fordern diese Phasenschieber mit Dioden die Verwendung technisch sehr hoch entwickelter Bauteile, die relativ hohe Kosten verursachen, insbesondere, wenn man im Bereich über 8000 MHz arbeiten will.

Ferritische Phasenschieber ermöglichen andererseits eine theoretisch beliebig kontinuierliche Phasenänderung eines Ultrahochfrequenzsignals; in der Praxis gestatten sie alle erforderlichen Phasenänderungen (bis zu 5 ) bei den derzeitigen industriellen Anwendungen. Jedoch bringen sie zahlreiche Nachteile mit sich, von denen einige auf das Prinzip selbst zurückzuführen sind: Komplexität der zur Erzeugung des veränderlichen Magnetfelds erforderlichen Versorgungskreise, lange Umschaltzeiten, keine Reziprozität zwischen Senden und Empfangen, sondern Umkehrbarkeit und damit eine beträchtliche Umkehrzeit in der Größenordnung einer Millisekunde. Andere Nachteile lassen sich auf die Verwendung von Ferritkernen zurückführen, die Platz- und 'Gewichtsprobleme sowie Probleme mit der Temperaturinstabilität mit sich bringen, und zwar bezüglich der Umgebungstemperatur, der Temperaturen, die sich beim Betrieb unter Leistung ergeben.

Der Erfindung liegt nun die Aufgabe zugrunde, einen Phasenschieber zur kontinuierlichen oder pseudokontinuierlichen Phasenverschiebung zu schaffen, bei dem die Nachteile bekannter Phasenschieber nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird mit einem Phasenschieber der eingangs genannten Art erfi*iclungsgemäß dadurch gelöst, daß er aus einer über einen Kurzschluß geschlossenen Ultrahochfrequenzleitung besteht, die einen Wellenleiter und Drahtleiter aufweist, die im Nebenschluß über den Wellenleiter parallel zum dielektrischen Feld der auftreffenden elektromagnetischen Welle angeordnet sind, und daß einige der Drahtleiter eine oder mehrere in Reihe und in gleicher Richtung angeordnete Dioden tragen und

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einzeln derart zur Beeinflussung des Zustandes der Dioden durch Polarisation an eine direkte oder umgekehrte Steuerspannung gelegt werden, daß die Dioden leitend oder nichtleitend werden und die Drahtleiter mit den Dioden je nach Steuerspannungsrichtung durchgehend oder unterbrochen sind.

Zweckmäßige Ausfuhrungsformen bzw. Weiterbildungen des erfindungsgemäßen Phasenschiebers und Antennen mit Phasenschiebern

gemäß der Erfindung ergeben sich aus den Ansprüchen 2 bis 9.

Es hat sich gezeigt, daß nach der Erfindung eine in einem Wellenleiter verlaufende elektromagnetische Welle in dem Fall, daß ein eine oder mehrere in Reihe und in gleicher Richtung angeordnete Dioden tragender Metalldrahtleiter im Nebenschluß und parallel zum elektrischen Feld dieser elektromagnetischen Welle in dem über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter angeordnet wird, eine Phasenverschiebung erfährt, die eine Funktion der Parameter des Drahtleiters ist, der Anzahl, der Eigenschaften und der Aufteilung der Dioden auf dem Drahtleiter, der Zustände der Diode(n) auf dem Drahtleiter und des Abstands zwischen dem Drahtleiter mit Dioden und dem den Wellenleiter schließenden Kurzschluß.

Damit ist es nun möglich, mit einem über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter, in welchem ein Drahtleiter mit Dioden im Nebenschluß angeordnet ist, die Phasenverschiebung der durch diesen Wellenleiter verlaufenden elektromagnetischen Welle zu verändern und den Zustand der Dioden auf dem Drahtleiter dabei umzukehren und/oder den Abstand zwischen diesem Drahtleiter und dem Kurzschluß zu verändern; auf diese Weise wird die entsprechende wirksame Länge der Leitung verändert und eine Veränderung der Phasendifferenz bezüglich einer Bezugswelle herbeigeführt.

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Weiterhin ergab sich mit dem erfindungsgemäßen Phasenschieber, daß durch Anordnung mehrerer Dioden tragender Drahtleiter in einem über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter, wobei die Drahtleiter parallel und in verschiedenen Abständen vom Kurzschluß angeordnet sind, und durch Einflußnahme auf den Zustand der Dioden auf dem einen oder anderen oder auf mehreren Drahtleitern mit Dioden nach Belieben durch Anlegen einer direkten oder umgekehrten Steuerspannung, so daß die Drahtleiter

durchgehend leitend gemacht oder unterbrochen und aufgeteilt werden, die Welle insgesamt eine Phasenverschiebung erfährt, die nicht einfach die Summe der Phasenverschiebungen darstellt, die die einzelnen Drahtleiter herbeiführen würden, wenn sie im Wellenleiter allein vorgesehen wären.

Bei einem solchen über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter, der im Nebenschluß angeordnete und parallel zum elektrischen Feld der elektromagnetischen Welle verlaufende Drahtleiter mit in Reihe liegenden Dioden aufweist, welche sich direkt oder umgekehrt über einen von außen kommende Steuerspannung polarisieren lassen, und welcher metallische Drahtleiter aufweist, die durchgehend sind oder in Abschnitte unterteilt sind und parallel zu den Drahtleitern mit Dioden verlaufen, wurde nun ein Phasenschieber entwickelt, der in Abhängigkeit vom Zustand der Dioden auf dem einen, dem anderen oder auf mehreren der in gewissen Abständen vom Kurzschluß angeordneten Drahtleiter nach Belieben die auftreffende elektromagnetische Welle in der Phase auch um einen so kleinen Betrag verschieben kann, wie er zur Anwendung des Phasenschiebers gerade notwendig ist.

Es ist festzustellen, daß die sehr kleinen Veränderungen in der Phasenverschiebung, die in der Größenordnung von 2° liegen, mit Hilfe eines erfindungsgemäßen Phasenschiebers herbeigeführt werden können, der in einem über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter nur acht Drahtleiter mit entsprechend entlang des

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Wellenleiters verteilte Dioden aufweist, wobei der Wellenleiter außerdem mit durchgehenden Drahtleitern und in Abschnitten unterteilten Drahtleitern versehen ist.

Es versteht sich, daß die durchgehenden metallischen Drahtleiter, die in Abschnitte unterteilten metallischen Drahtleiter oder solche mit Dioden entweder in einer zur Ausbreitungsrichtung der Welle parallelen Ebene angeordnet sein können oder auch in zwei oder mehreren Ebenen liegen können, die parallel zu dieser Ausbreitungsrichtung der auftreffenden Welle im Innern des Wellenleiters verlaufen und symmetrisch zur Längsachse des Wellenleiters liegen. In diesem Fall werden die zwei Drahtleiter mit Dioden, die im gleichen Abstand vom Kurzschluß liegen, gleichzeitig an dieselben direkten oder umgekehrten Steuerspannungen gelegt, so daß die beiden Drahtleiter entweder durchgehend leitend oder unterbrochen und im gleichen Zustand sind.

Im folgenden ist die Erfindung anhand eines Ausführungsbeispiels des erfindungsgemäßen Phasenschiebers unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher beschrieben und erläutert. In den Zeichnungen zeigen

Fig. 1 eine Gesamtansicht eines zusammengebauten Phasenschiebers gemäß der Erfindung, und

Fig. 2 bis 6 jeweils Einzelteile des Phasenschiebers nach Fig.

Der erfindungsgemäße Phasenschieber besteht aus einem Wellenleiterelement mit rechteckförmigem Querschnitt, dessen Außenabmessungen I₁ 78 mm und 1_ 40 mm betragen, während seine Innenabmessungen 1 - 72 mm und U 34 mm sind; die Länge 1^ des Wellenleiterelements beträgt 64 mm. Der Wellenleiter besteht aus zwei Einschubteilen 1, 2, von denen das Eine Teil 1 einen Anker bildet, während das andere Teil 2 so ausgebildet ist, daß es auf

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das erste aufgepaßt werden kann, und einen Kurzschluß 3 aufweist, wie Fig. 2 und 3 zeigen. Sechs Drahtleiter, die in Abschnitte 4 unterteilt sind und sieben Drahtleiter 5, die Dioden 9 tragen, sind abwechselnd, wie in Fig. 6 gezeigt, auf einem Glas-/Teflon-Träger 6 mit einer Dicke e.. =0,3 mm in der Art einer gedruckten Schaltung angeordnet. Der Abstand zwischen einem in Abschnitte 4 unterteilten Drahtleiter und einem Drahtleiter 5 mit Dioden 9 beträgt d. = 4 mm, während der Abstand zwischen zwei Drahtleitern 5 mit Dioden 9 d₃ = 8,4 mm beträgt. Jeder Drahtleiter 5 mit Dioden trägt drei Dioden 9 in Reihenschaltung, wobei die Dioden vom Typ mit schmalem Durchlaßband sind (PIN-Diode) und eine Kapazität 0,22 Picofarad bei 36 Hz und 50 V aufweisen. Die Teilung der Dioden 9 auf einem Drahtleiter 5 beträgt d„ = 11,3 mm. Jede Diode 9 ist mit einem Belastungswiderstand von 2 Mega-Ohm bestückt. Die in Abschnitte 4 unterteilten Drahtleiter haben eine Unterteilungslänge von dj.· = 4,2 mm. Zwei Glas-/TefIon-Träger 6, die auf diese Weise bestückt wurden, liegen parallel zu den Schmalseiten des Wellenleiters in einem Abstand von 36 mm voneinander. Die sieben mit Dioden 9 bestückten Drahtleiter 5 sind mittels achtundzwanzig Fangstellen, die auf den beiden Außenflächen des Teils 2 des Wellenleiters in derselben Teilung wie die Drahtleiter 5 mit den Dioden 9 angebracht sind, an Steuerkreisen bzw. -schaltungen angeschlossen, die auf zwei Karten 8 mit gedruckten Schaltungen (Fig. 4 und 5) vorgesehen sind, welche jeweils auf den Außenflächen des Teils 2 des Wellenleiters befestigt sind.

Der Phasenschieber, wie er insgesamt in Fig. 1 dargestellt ist, wird zur Verschiebung einer auftreffenden elektromagnetischen Welle eingesetzt, deren elektrisches Feld E parallel zu den Drahtleitern verläuft, wobei die Phasenverschiebung in einem Frequenzband von 2850. bis 3150 MHz erfolgt.

Beispielsweise werden die Dioden auf den sieben Dioden-Leiter-

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paaren entsprechend einem Kode mit achtundreißig Befehlen (vgl. Tabelle 1) nacheinander mit einer direkten oder umgekehrten Steuerspannung polarisiert. Dabei ist gemäß Tabelle 1 Null (0) eine umgekehrte Polarisierung, während Eins (1) eine direkte Polarisierung darstellt. Die Phasenverschiebung der reflektierten Welle wird von 0 bis 360 in Grundschritten zu je 10 Grad innerhalb des in Betracht kommenden Frequenzbandes verändert. Die Einschaltverluste des Phasenschiebers waren kleiner als 0,5 dB.

Mit diesen sieben Leiterpaaren ist es möglich, bis zu einhundertachtundzwanzig verschiedene Befehle auszuführen. Wählt man beispielsweise andere verschiedene Ansteuerungs- bzw. Befehlskodes, die jeweils für eine gewisse Länge des Frequenzbandes gelten, so kann man entsprechende Leistungsdaten des Phasenschiebers für elektromagnetische Wellen erzielen, deren Frequenz zwischen 2100 und 3900 MHz liegt.

Fügt man ein achtes Paar von Dioden-Leitern hinzu, die analog zu den Leitern 5 sind, so wird der Grundschritt bei der Phasenverschiebung der reflektierten Welle auf 2 Grad verringert.

Daraus ergibt sich, daß der erfindungsgemäße Phasenschieber zahlreiche Vorteile aufweist. Er gestattet eine kontinuierliche oder quasi-kontinuierliche Veränderung der Phase einer auftreffenden elektromagnetischen Welle; er läßt sich aus wenig kostspieligen Elementen einfacher Technologie herstellender erfordert nur eine Versorgung mit einer einfachen Steuerspannung. Angesichts der geringen Polarisationsströme und der kurzen Wirungszeiten der Dioden zeigt der Phasenschieber eine kurze Umsehaltzeit; er ist reziprok; er weist kleiner Einschaltverluste beim Einsetzen in den Komponenten auf, die beträchtlich geringer sind als die Einschaltverluste bei bekannten Phasenschiebern. Er läßt sich an Betriebsfrequenzen anpassen, die

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mindestens bis 18 GHz gehen, sowie an Frequenzen zwischen 5 GHz und 18 GHz; er weist gegenüber bekannten Phasenschiebern kaum Einschaltverluste auf. Es gibt zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten für den erfindungsgemäßen Phasenschieber. Insbesondere lassen sich mehrere der erfindungsgemäßen Phasenschieber dadurch miteinander verbinden, daß man sie in geeigneter Weise vor eine Ultrahochfrequenz-Strahlungsquelle legt, wobei man eine Antenne zur dreidimensionalen elektronischen Abtastung mit sehr hoher Leistung und technisch sehr interessanter Ausbildung erhält: .

Die auf diese Weise gebildete Antenne könnte mit einer sehr hohen Leistung in der Größenordnung von 1 kW im Mittel pro Quadratmeter der Phasenschieber senden; sie weist keine sekundären Zipfel oder Keulen der Quantisierung auf. Sie ist zum Richten der Ultrahochfreuqenzstrahlung aufgrund der geringen Kommutierungszeit der Phasenschieber sehr bewegtlich, wodurch es möglich ist, sie bei Anwendungen zu Gegenmaßnahmen einzusetzen. Man kann auch eine Antenne zur dreidimensionalen elek-— tronischen Abtastung herstellen, indem man jedem Phasenschieber jeweils eine Ultrahochfrequenz-Strahlungsquelle und eine 3dB-Kopplung zuordnet, wobei nun die Anordnung aus Phasenschieber, der jeweiligen einzelnen Strahlungsquelle und dem Kopplungselement eine Einheit zur übertragung bildet. Schließlich läßt sich auch eine Antenne zur zweidimensionalen elektronischen Abtastung dadurch herstellen, daß man jedem Phasenschieber einen Schlitzwellenleiter oder einen Wellenleiter mit Dipolen zuordnet, der Über einen Hochfrequenz-Energieteiler versorgt wird, und ein 3dB-Kopplungsteil, so daß eine Flachantenne entsteht, wobei jeder Phasenschieber und jedes 3dB-Kopplungsteil am Ende eines Schlitzwellenleiters der Flachantenne angeordnet ist.

Beispielsweise wird nachstehend eine Antenne zur elektronischen Abtastung beschrieben, die in einem Frequenzband von 2850 bis 3150 MHz arbeiten soll. Auf einer 3x3 Meter großen Fläche be-

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steht sie aus 2.400 Phasenschiebern, die mit einer Ultrahochfrequenzquelle bestrahlt werden. Die ausgestrahlte Spitzenleistung beträgt 0,9 MW, die mittlere Leistung liegt bei 11 kW. Die Einschaltverluste sind gering; das Niveau der Sekundärzipfel- oder keulen im Nahbereich liegt unter 30 dB, während das Niveau der Hauptzipfel oder Strahlungskeulen im Diffusionsbereich bei rund 40 dB liegt.

Mit dieser Antenne ist es möglich, den Raum in einem Kegel von 90 abzutasten. Die Kosten einer solchen Antenne sind wegen des einfachen Aufbaus der Phasenschieber, die die Antenne bilden, und der benötigten Versorgungssysteme äußerst gering im Vergleich zu den Kosten der Antennen, die eine geringere Leistung haben und gemäß dem herkömmlichen Konzept hergestellt sind.

Kurz umrissen umfaßt die Erfindung einen Phasenschieber, der aus einem über einen Kurzschluß geschlossenen Wellenleiter und aus im Nebenschluß im Wellenleiter angeordneten Drahtleitern besteht, von denen einige in Reihe angeordnete Dioden tragen, die über solche Spannungen steuerbar sind, welche durch Einflußnahme auf die Dioden die Drahtleiter durchgehend leitend machen oder unterbrechen und unterteilen.

Mit dem Phasenschieber läßt sich je nach Anzahl der darin enthaltenen Drahtleiter eine Phasenänderung herbeiführen, die ebenso klein ist, wie es die Anwendung erfordert.

Der Phasenschieber findet Anwendung auf die Herstellung einer Antenne zur dreidimensionalen oder zweidimensionalen elektronischen Abtastung mit erhöhter Leistung und hoher Beweglichkeit.

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Tabelle 1

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0 = umgekehrt polarisierte"Diodenzeile

1 = direkt polarisierte Diodenzeile

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Claims

HOFFMANN · EITxJE & PARTNER 2834905

PATENTANWÄLTE

DR. ING. £. HOFFMANM (1930-197(5) . DIPL.-ING. W. EITLE . DR. RER. NAT. K. HOFFMANN . DIPL.-ING. W. LEHN

OIPL.-ING. K. FöCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-SOOO MO N CHEN 81 - TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

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Societe d¹Etudes du Radant, Orsay / Frankreich

Ultrahochfrequenz-Phasenschieber und Abtastantennen mit derartigen Phasenschiebern.

Patentansprüche ;

ty . Phasenschieber, dadurch gekennzeichnet , daß er aus einer über einen Kurzschluß (3) geschlossenen Ultrahochfrequenzleitung besteht, die einen Wellenleiter (1, 2) und Drahtleiter (4_r 5) aufweist, die im Nebenschluß über den Wellenleiter (1, 2) parallel zum dielektrischen Feld der auftreffenden elektromagnetischen Welle angeordnet sind, und daß einige der Drahtleiter (5) eine oder mehrere in Reihe und in gleicher Richtung angeordnete Dioden (9) tragen und einzeln derart zur Beeinflussung des Zustandes der Dioden (9) durch Polarisation an eine direkte oder umgekehrte Steuerspannung gelegt werden, daß die Dioden (9) leitend oder nichtleitend werden und die Drahtleiter (5) mit den Dioden (9) je nach Steuerspannungsrichtung durchgehend oder unterbrochen sind.
2. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Drahtleiter (4, 5) durchgehend leitende Drähte (5), mit in Reihe und in gleicher Richtung angeordneten Dioden (9), und in gleichen Abständen angeordnete durchgehende Drähte und/oder Drahtleiter (4) sind, die in Abschnitte unterteilt sind.
3. Phasenschieber nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß alle Drahtleiter (4, 5) durchgehende Drähte sind, die in Reihe und in gleicher Richtung an-

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geordnete Dioden (9) in gleichen Abständen tragen.
4. Phasenschieber nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet , daß die durchgehenden Drahtleiter (4) und/oder die in Abschnitte unterteilten Drahtleiter (4) , soweit vorhanden, in einer oder mehreren Ebenen verteilt liegen, die parallel zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Welle im Innern des Wellenleiters verlaufen und bezüglich der Längsachse des Wellenleiters symmetrisch liegen.
5. - Phasenschieber nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Drahtleiter (5) mit Dioden

(9) und die durchgehenden oder in Abschnitte unterteilten Drahtleiter (4), soweit vorhanden, in zwei zur Ausbreitungsrichtung der auftreffenden elektromagnetischen Welle innerhalb des Wellenleiters (1, 2) parallel verlaufenden Ebenen angeordnet sind, welche zur 'Achse des Wellenleiters (1, 2) symmetrisch liegen, wobei die Leiter in den beiden Ebenen in derselben Weise angeordnet sind und .zwei Drahtleiter (5) mit Dioden, die im gleichen Abstand vom Kurzschluß (3) liegen, an dieselbe direkte oder umgekehrte Steuerspannung gelegt v/erden.
6. Phasenschieber nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß vierzehn Drahtleiter (5) mit jeweils drei Dioden (9) in zwei Ebenen verteilt liegen.
7. Antenne zur dreidimensionalen elektronischen Abtastung mit Phasenschiebern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß in einer Ebene mehrere Phasenschieber nebeneinander angeordnet sind, die mit einer auftreffenden Ultrahochfrequenzwelle bestrahlbar sind, wobei die Drahtleiter (5) mit Dioden (9) jedes Phasenschiebers einzeln über eine direkte oder umgekehrte Steuerspannung mittels

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eines Rechners steuerbar sind, welcher in Abhängigkeit vom gewünschten Richtwinkel der ausgesandten Ultrahochfrequenzstrahlung arbeitet.
8. Antenne zur dreidimensionalen elektronischen Abtastung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet , daß jedem Phasenschieber eine elementare Ultrahochfrequenz-Emissionsquelle zugeordnet ist.
9. Antenne zur elektronischen Abtastung in einer einzigen Ebene mit Phasenschiebern nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß eine gewisse Anzahl Phasenschieber eingesetzt sind und daß jedem Phasenschieber ein Schlitzwellenleiter bzw. ein Wellenleiter mit Strahlungsdipolen, die über eine Quelle erregbar sind, zugeordnet ist, und daß die gesamte Anordnung dieser Wellenleiter nebeneinander liegt und eine Flachantenne bildet, bei der jeder Phasenschieber am Ende eines Schlitzwellenleiters bzw. an den Dipolen angeordnet ist, die die Flachantenne bilden.

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