DE2639813C3 - Spiralantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Spiralantenne mit zwei über einem zylindrischen, topfförmigen Gehäuse angeordneten Wicklungen und mit zwei an die äußeren Wicklungsenden angeschalteten Antennen für einen niedrigeren Frequenzbereich.

Es ist eine solche Spiralantenne bekannt (DE-OS 23 62 913), bei welcher das Gehäuse an diametralen Stellen kastenförmig vergrößert ist und darin zwei diametrale Unipole untergebracht sind, die das Frequenzband der Antenne zu niedrigeren Frequenzen erweitern. Die geometrische Brei.e der Spiralantenne einschließlich der beiden Unipole beträgt etwa die halbe Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz. Die bekannte Antenne würde daher verhältnismäßig groß, wenn die Arbeitsfrequenz bis auf niedere Werte abgesenkt werden soll.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die eingangs genannte Spiralantenne für den HF-Bereich, insbesondere für den GHz-Bereich dahingehend weiterzuentwickeln, daß ihre Baugröße bei gleichem Übertragungsbereich kleiner ist.

Zur Lösung dieser Aufgabe schlägt die Erfindung für die eingangs genannte Spiralantenne vor, daß die Antennen für den niedrigeren Frequenzbereich Schlitzantennen sind, von denen jede das zylindrische Gehäuse halbkreisförmig umgibt.

Durch die Ausbildung der zusätzlichen Antennen für den niedrigeren Frequenzbereich als Schlitzantennen kann die Größe der Antenne hier deutlich verringert werden. Während die Breite der bekannten Antenne bei einer niedersten Arbeitsfrequenz von 0,5 GHz etwa 30 cm beträgt, läßt sich eine erfindungsgemäße Antenne mit einem Durchmesser von etwa 6 cm aufbauen. Diese wird, wie alle Schlitzantennen, in eine leitende Platte eingebaut.

Vorteilhafte Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen. Mit den Merkmalen des Anspruchs 2 läßt sich ein einfacher, robuster und kompakter Aufbau der Antenne erzielen, während das Merkmal des Anspruchs 3 dazu führt, daß die Umfangslänge der beiden Schlitzantennen geringer als A/2 sein kann.

Die erfindungsgemäße Antenne erzeugt über den gesamten Arbeitsfrequenzbereich eine einzige flächennormale Strahlungskeule. Sie läßt sich in die metallische Oberfläche bzw. Außenhaut eines Flugzeugs einbauen.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist anhand einer Zeichnung näher erläutert, in der darstellt

Fig. 1 eine teilweise geschnittene Draufsicht auf die Antenne,

F i g. 2 einen Schnitt längs der Linie 2-2 in F i g. 1,
Fig.3 ein Diagramm, in welchem der Antennengewinn in Abhängigkeit von der Arbeitsfrequetz dargestellt ist, und

Fig.4 ein Polardiagramm der Strahlungscharakteristik der Antenne für eine hohe Frequenz und für eine niedere Frequenz.

H Die Antenne 10 hat ein zylindrisches, topfförmiges Gehäuse 12 aus einem Bodenteil 18 und einer mit diesem einstückigen zylindrischen Außenwand 14, zu der mit radialem Abstand eine zylindrische Innenwand 20 vorgesehen ist, die an ihrem unteren Rand 22 mit dem Bodenteil 18 verlötet ist. Die beiden Wände schließen einen Ringraum 24 und die Innenwand 20 ein inneres Spiralantennen-Gehäuse 16 ein. Die genannten Teile sind aus leitendem Werkstoff, z. B. verkupfertem Aluminium gefertigt Die zylindrische Außenwand 14 und die dazu konzentrische leitende zylindrische Innenwand 20 sind durch zwei diametral angeordnete, radiale, leitende Wände 26 und 28 verbunden und bilden so Schlitzantennen 30 und 32, deren Hohlräume 34 und 36 mit ferritischem Material ausgefüllt sind, um über das Frequenzband die erwünschte Eingangsimpedanz zu erhalten.

Am dem Bodenteil 18 gegenüberliegenden Ende des topfförmigen Gehäuses ist eine bis zur Außenwand 14 reichende Deckplatte 38 aus nichtleitendem Werkstoff, beispielsweise PTFE-Glas, angebracht. Der äußere Plattenrand 38 ist in eine Schulter 40 der Außenwand 14 eingesetzt und liegt auf dem oberen Rand 42 und der Innenwand 20 auf. Auf der Oberseite der Deckplatte 38 ist eine Spiralantenne 44 aus zwei ineinandergreifenden spiralförmigen Leitungsbahnen 46 und 48 ausgebildet, deren innere Speisepunkte 50 und 52 in der Mitte 41 der Deckplatte 38 und deren äußere Speisepunkte 54 und 56 am Außenumfang der Deckplatte 38 ausgebildet sind. Die spiralförmigen Leitungsbahnen 46 und 48 sind kreissymmetrisch, von gleicher Länge und elektrisch Symmetrien. Da die inneren Speisepunkte 50 und 52 einander gegenüberliegend angeordnet sind, sind auch die äußeren Speisepunkte 54 und 56 diametral, d. h. mit einer 180°-Versetzung, gegenüberliegend angeordnet, wie dies aus F i g. 1 deutlich ersichtlich ist.

Das Gehäuse 12 weist einen Bodenbereich 58 mit einer mittigen Öffnung 60 auf, die mit der Mitte des inneren Gehäuses 16, welches das Spiralantennen-Gehäuse bildet, verbunden ist und an die sich winklig ein Kanal 62 in einem winkligen Anschlußnippel 64 anschließt. In den Kanal 62 ist der Oberteil 68 eines Übertragers 66 eingesetzt, der an seinem vorderen Ende ein Anschluß-Außengewinde 70 für den Anschluß eines Antennen-Koaxialkabels aufweist.

Die inneren Speisepunkte 50 und 52 der Spiralantenne sind über eine Koaxialleitung 72 aus einem Innenleiter 74 und einem abschirmenden Außenleiter 76 an den Oberteil 68 des Übertragers 66 angeschlossen. Der Innenleiter 74 ist mit dem Speisepunkt 50 und der Außenleiter 76 über einen Leiter 78 an den Speisepunkt 52 angeschlossen.

Der Außenumfang der Spiralantenne 44 liegt über dem durch die Innenwand 20 abgegrenzten Hohlraum,

so daß sie sich nicht über die Schlitzantennen 30 und 32 erstreckt. Die äußeren Speisepunkte 54 und 56 liegen daher über der Oberkante 42 der Innenwand 20 und um 90° versetzt gegenüber den radialen Wänden 26 und 28. Sie sind jeweils mittels eines Drahts 84 und 86 an einander gegenüberliegende, entsprechende Speisepunkte 80 und 82 mit den Schlitzantennen 30 und 32 an der Oberseite der Außenwand 14 verbunden.

Für den Betrieb wird die Antenne 10 in eine leitende Fläche, z. B. die metallische Oberfläche eines Flugzeugs beispielsweise 91,4 cm Durchmesser, eingebaut. Sie kann, ohne daß ihre Struktur verändert werden muß, sowohl zum Senden als auch zum Empfangen verwendet werden. Zum Senden wird das Signal mit Hilfe des Übertragers 65 symmetrisch mit geeigneter Impedanz an die Spiralantenne 44 abgegeben, wobei die Ausgänge bezüglich des Erdpotentials bzw. der Masse Symmetrien und um 180° phasenverschoben sind.

Die Schlitzantennen 30 und 32 sind zentralgespeiste linearpolarisierte Monopole, die wirksam im niederen Frequenzbereich abstrahlen, während die Spiralantenne 44 im oberen Frequenzbereich zirkulär polarisiert abstrahlt.

Die Spiralantenne 44 erzeugt eine einkeulige Strahlungscharakteristik, deren Axialrichtung senkrecht zur Oberseite 39 der Deckplatte 38 steht und auf die Mitte 41 zentriert ist Zum Erzeugen einer solchen Charakteristik müssen die Leitungsbahnen 46 und 48 der Spiralantenne 44 mit entgegengesetzter Phase gespeist werden. Die Signalfrequenz muß in dem Frequenzbereich liegen, für den der Durchmesser der Spirale groß genug zum Abstrahlen ist. Diese Zusammenhänge sind an sich bekannt, ebenso wie die Bestimmung der unteren Grenzfrequenz. Die Wellenlänge der unteren Grenzfrequenz ist gleich oder kleiner js als der äußere Umfang der Spiralantenne 44.

Bei einem praktischen Ausführungsbeispiel der Antenne 10 hatte die Spiralantenne 44 einen Außendurchmesser d\ von 51 mm, während der Durchmesser eh der Schlitzantennen 30 und 32, gemessen von der Mitte zwischen der Außen- und Innenwand 54 mm und die Schlitzbreite 8,5 mm betrug, was eine Schlitzlänge von 159,5 mm ergibt.

Die Fig.3 und 4 zeigen den Antennengewinn gegen die Frequenz und Strahlungsdiagramme einer Antenne 10 mit den zuvor angegebenen Abmessungen.

Die Kurve A in Fig.3 zeigt den maximalen Antennengewinn relativ zu einem linearen isotropen Strahler zwischen 0,5 GHz und 20 GHz. Die Antenne war in einer leitenden Fläche mit 91,4 cm Durchmesser angebracht. Die Kurve B gibt den Gewinn über das Frequenzband der Schlitzantennen 30 und 32 an, die mit symmetrierten, um 180° phasen verschobenen Signalen gespeist wurden, und zwar ohne Spiralantenne 44, um Wechselwirkungseffekte zu vermeiden. Ähnlich gibt die Kurve C die Verstärkung der Spiralantenne 44 ohne die Schlitzantennen 30 und 32 an. Beim Betrachten der Kurven A, B und C fällt auf, daß die Kurve A nicht eine einfache Zusammensetzung der Kurven B und C ist, sondern Wechselwirkungen zwischen der Spiralantenne 44 und den ScHitzantennen 30 und 32 im niederen Frequenzbereich enthält, wodurch rf··» charakteristische Verstärkungskurve der Antenne entsteht, wenn die Spiralantenne 44 und die sie halbkreisförmig umgebenden Schlitzantennen 30 und 32 miteinander kombiniert sind.

Die in Fig.4 gestrichelt eingezeichnete Kurve A zeigt tue Strahlungscharakteristik bei einer Frequenz von 500 MHz, die noch einkeulig nach oben gerichtet ist. Die ausgezogene Kurve B gibt die Strahlungscharakteristik bei 2,5 GHz an. Bei dieser höheren Frequenz ist die Charakteristik ebenfalls noch einkeulig und axial nach oben gerichtet. Die Kurven A und B geben typische breitbandige unigerichtete einkeulige axiale Strahlungscharakteristiken wieder, wie sie von der Antenne über ihren Arbeitsbereich geliefert wird.

Die Antenne weist einen sehr kompakten Aufbau auf. Der Arbeitsbereich ist zu niederen Frequenzen bei fester Apertur erweitert, so daß das Antennenvolumen um nur 30% gegenüber einer Spiralantenne variabler Apertur erhöht ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Spiralantenne mit zwei über einem zylindrischen, topfförmigen Gehäuse angeordneten Wicklungen und mit zwei an die äußeren Wicklungsenden angeschalteten Antennen für einen niedrigeren Frequenzbereich, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennen für den niedrigeren Frequenzbereich Schlitzantennen (30, 32) sind, von denen jede das zylindrische Gehäuse (16) halbkreisförmig umgibt.

2. Spiralantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzantennen (30,32) durch die zylindrische Außenwand (14) des Gehäuses (12) und eine dazu konzentrische leitende zylindrische Innenwand (20) gebildet sind, welche durch zwei diametral angeordnete radiale Wände (26, 28) verbunden sind.

3. Spiralantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlitzantennen (30,32) mit ferritischeis Material gefüllt sind.