DE3130350C2 - - Google Patents

Description

Die Erfindung geht von einer Antenne gemäß dem Gattungsbegriff des Patentanspruches 1 aus.

Die erfindungsgemäße Antenne wurde hauptsächlich zur Verwendung in UKW-Drehfunkfeuernavigationssystemen entwickelt, eine andere Anwendungsmöglichkeit ist damit aber nicht ausgeschlossen. Sie ist beispielsweise auch als Landekursstrahlerelement in einem Instrumentenlandesystem für den Flugverkehr geeignet.

Bei derartigen Antennen kommt es besonders darauf an, den Oktantfehler klein zu halten. Der Oktantfehler ist ein Peilfehler, der im Azimut bei einer Halbperiode von 45° zyklisch auftritt und bei wachsendem Durchmesser der vollständigen Antenne an Größe zunimmt.

Eine gattungsgemäße Antenne ist aus der US-PS 26 42 529 bekannt. Bei dieser Antenne folgen mehrere Hohlraumresonatoren in Umfangsrichtung des Hohlzylinders aufeinander, indem mehrere Trennwände in der Weise aufeinanderfolgen, daß sie in regelmäßigen Abständen auf dem Umfang der Tragstange mit ihrem jeweiligen einen Ende ihren Anfang nehmen, von dort aus radial zum Außenumfang des Hohlzylinders verlaufen, dort in die Umfangsrichtung umgebogen sind und im weiteren Verlauf einen Umfangsabschnitt eines Außenzylinders bilden, an dessen Ende erneut umgebogen sind, um wieder in radialer Richtung nach innen zu verlaufen, vor der Tragstange zu einem Umfangsabschnitt eines Innenzylinders abgebogen sind, um an dessen Ende wiederum in eine Richtung radial nach außen abgebogen zu werden und nochmals zu einem Zylinderabschnitt etwa in der Hälfte des radialen Abstandes zwischen Außen- und Innenzylinder abgebogen zu werden.

Bei dieser bekannten Lösung wird für die Ausbildung der spiralförmig gefalteten Hohlraumresonatoren relativ viel Platz benötigt, so daß deren Länge Grenzen gesetzt sind oder der Durchmesser der Antenne relativ groß sein muß. Außerdem ergeben sich an den Unstetigkeitsstellen bzw. Knickstellen der Resonatorwände elektrische Nachteile.

Im wesentlichen zylinderförmige Antennen mit in Längsrichtung mehrfach geschlitzter Zylinderwand, wobei sich hinter jedem Schlitz ein gesonderter Hohlraum befindet, der eine Tiefe besitzt, die sich von jeweiligen Schlitz aus in den Zylinder hinein erstreckt sind auch anderweitig vorbekannt, z. B. aus "Fernmeldetechnische Zeitschrift" 1953, Heft 9, Seiten 452-454. Der Zylinder hat dabei einen kreisförmigen Querschnitt und die Schlitzwände verlaufen paarweise parallel zueinander. Die spiralförmige Ausbildung von Schlitzwänden innerhalb eines Hohlzylinders ist auch anderweitig bekannt (DE-PS 8 84 972), jedoch folgen auch hier die von den Wänden umgebenen Hohlräume in Umfangsrichtung aufeinander, so daß insoweit entsprechende Probleme wie beim gattungsbildenden Stand der Technik sich ergeben. Bekannt ist es schließlich, bei Antenneneinrichtungen, die mit gattungsgemäßen Antenneneinrichtungen vergleichbar sind, Hohlraumresonatoren getrennt anzuregen (US-PS 25 73 461) und solche Hohlräume serpentinenförmig auszubilden (US-PS 29 60 694).

Ausgehend vom gattungsgemäßen Stand der Technik und vor dem durch den weiteren Stand der Technik repräsentierten Hintergrund ist es Aufgabe der Erfindung, eine gattungsgemäße Schlitzantenne so auszubilden, daß Oktanfehler in vertretbaren Bereichen liegen, d. h. der Oktantfehler soll sehr klein sein und es soll eine einfache und genaue Abstimmung des Strahles auf die Sendefrequenz möglich sein.

Der Lösung der Aufgabe dienen die Merkmale des Kennzeichnungsteiles des Patentanspruches 1 in der Anwendung auf eine gattungsgemäße Antenne. Mit den Merkmalen der Unteransprüche ist eine Möglichkeit einer möglichst zweckmäßigen Feinabstimmung möglich.

Bei einer erfindungsgemäßen Antenne sind die mehreren Hohlraumresonatoren gleichsam umeinander herumgeführt, so daß sie eine relativ große Länge haben können, obwohl der Außendurchmesser der Antenne klein gehalten werden kann. Unstetigkeiten sind vermieden, so daß auch die dadurch verursachten elektrischen Fehler nicht auftreten können. Während beim gattungsbildenden Stand der Technik zu den bereits geschilderten Nachteilen noch die Möglichkeit allein einer einzigen, relativ groben Abstimmung kommt, bietet die Erfindung nicht nur die Möglichkeit der Grobabstimmung durch Ortsveränderung eines Kurzschlußschiebers an dem Ende des jeweiligen Hohlraumresonators sondern auch die zusätzliche Möglichkeit einer Feinabstimmung mit den in den Unteransprüchen angegebenen Merkmalen.

Die Erfindung ist nachfolgend anhand der Zeichnung näher erläutert; in der Zeichnung zeigt

Fig. 1 eine perspektivische Ansicht der Antenne;

Fig. 2 eine Draufsicht auf den Querschnitt der Antenne in Richtung der Schnittebene 2-2 der Fig. 1;

Fig. 2A eine vergrößerte Teilansicht eines Hohlraumresonators der Antenne von Fig. 2;

Fig. 2B eine Teilansicht des in Fig. 2A dargestellten Hohlraumresonators, in dem sich ein Abstimmelement zur Feinabstimmung des Hohlraumresonators befindet;

Fig. 3 ein Diagramm des Spitzen-Oktantfehlers in Abhängigkeit vom Radius (in Wellenlängen) der Antenne;

Fig. 4 eine grundsätzliche Darstellung einer Schlitz- und Hohlraumanordnung;

Fig. 5 eine Draufsicht einer in Fig. 4 dargestellten Schlitz- und Hohlraumanordnung;

Fig. 6 ein Diagramm, das die Abhängigkeit der Abmessungen der Schlitz- und Hohlraumanordnung von Fig. 4 und 5 darstellt;

Fig. 7 eine vollständige UKW-Drehfunkfeuer-Anordnung, die zwei der Antennen gemäß Fig. 1 umfaßt, die übereinander als zweistufiges Antennensystem angebracht wurden und

Fig. 8 einen Querschnitt durch den oberen Teil der in Fig. 7 dargestellten Anordnung.

Gemäß Fig. 1, 2 und 2A der Zeichnungen besitzt die Antenne 10 eine zylindrische Außenwand 11, die aus einem leitfähige Material, wie z. B. Kupfer oder Aluminium, hergestellt ist. Vier sich in Längsrichtung erstreckende, gleichmäßig am Umfang verteilte Schlitze 12 sind innerhalb der Außenwand 11 ausgebildet und entsprechende Schlitze sind mit Hohlräumen 13 hinterlegt. Die Hohlräume sind voneinander durch spiralförmige metallene Trennwände 14 getrennt und daher kann jeder Hohlraum 13 so angesehen werden, als ob er als Spirale innerhalb des Antennenkörpers aufgewickelt ist. Diese Anordnung schafft eine kompakte Antennenkonstruktion, da die Tiefe a (siehe Fig. 2A, 5 und 6) auch bei kleinen Antennendurchmessern genügend tief, entsprechend den elektrischen Erfordernissen, gewählt werden kann. Die Abhängigkeit der Abmessung der Seite a von der Schlitzlänge l geht aus Fig. 6 hervor. Die Schlitzlänge l ist ihrerseits abhängig von der Wellenlänge λ c im Hohlraumresonator. Sie beträgt etwa 0,5 · λ c.

An jedem Ende der Antenne 10 (Fig. 1 und 2) ist eine Metallplatte 15 eingepaßt, durch die die Hohlraumresonatoren 13 oben und unten geschlossen werden. Die Tragstange 16 an den Enden der Hohlraumresonatoren, in der Mitte des Antennenzylinders, benötigt nur sehr wenig Raum.

Der Vorteil dieser Anordnung geht aus dem Vergleich mit der Antenne nach US-PS 26 42 529 hervor: Dort ist ersichtlich, daß für die zentral angeordnete koaxiale Haltekonstruktion, die gleichzeitig als Energiezuführung dient, wesentlich mehr Raum benötigt wird. Dementsprechend steht, bei vorgegebenem Außendurchmesser, weniger Raum für die gefalteten Hohlraumresonatoren zur Verfügung. Außerdem ergeben sich durch die Unstetigkeitsstellen an den Knicken der Hohlraumresonatoren auch elektrische Nachteile.

Zwei in Längsrichtung bewegbare Metallbügel (d. h. Kurzschlußbügel) 17 und 18 erstrecken sich in bekannter Weise über jeden der Schlitze 12 und verbinden die Seitenwände jedes Schlitzes, um die oberen und unteren Grenzen der resonanten Länge jedes Schlitzes zu bestimmen. Sie sind auf die gewünschte Sendefrequenz der Antenne einzustellen, und es ist ein genügender Einstellbereich vorhanden, um einer Frequenzverstellung im Bereich 108-118 MHz zu genügen.

Durch die Bügel 17 und 18 ist eine Grobabstimmung der Strahlungsfrequenz möglich; die Feineinstellung erfolgt durch die Stellung der Abstimmelemente 17 a und 18 a, die sich innerhalb der Hohlräume 13 in der Nähe der entsprechenden Schlitze 12 befinden.

Gemäß Fig. 2B werden die metallischen Abstimmelemente 17 a und 18 a von konzentrischen Röhren 17 b und 18 b getragen, die sich in jedem der Hohlräume 13 befinden. Die Röhren werden aus einem nichtleitenden Stoff gefertigt, sie erstrecken sich über die gesamte Länge der Schlitze 12 und werden, obwohl dies nicht in den Zeichnungen dargestellt ist, in Lagern getragen und ragen von dem unteren Ende der Antenne hervor, so daß sie von Hand oder mechanisch gedreht werden können.

Das Abstimmelement 17 a ist aus Metall hergestellt und es erstreckt sich als Ausschnitt aus einem Rohrsegment um einen Teil der Außenfläche des oberen Bereiches der äußeren Röhre 17 b. Das Abstimmelement 18 a ist auf ähnliche Weise hergestellt, aber es erstreckt sich um einen äußeren Teil des unteren Bereichs der inneren Röhre 18 b.

Beide Abstimmelemente 17 a und 18 a können wahlweise durch Drehung der Trägerröhren 17 b und 18 b eingestellt werden, so daß sie elektromagnetischen Feldern beim Durchgang durch die entsprechenden Hohlraumresonatoren eine veränderbare Metallfläche bieten, wobei die Abstimmelemente jedoch selbst dann, wenn sie die größtmögliche Metallfläche über die Hohlraumbreite darbieten, nicht in elektrischen Kontakt mit den Wänden der Hohlräume kommen.

Typische Maße der in Fig. 1 und 2 dargestellten Antennenanlage sind:

Länge (X) = 1,80 m,
Durchmesser (Y) = 0,46 m.

Im folgenden werden Eigenschaften und Parameter, die für die Konstruktion und den Betrieb der Antenne wichtig sind, beschrieben.

Die Gesamthöhe (X) der Antenne wird überwiegend durch die benötigte Länge (l) der Schlitze 12 bestimmt und die Schlitzlänge (etwa 0,5 · λ _c ) wird durch die Betriebsfrequenz bestimmt. Die Wellenlänge λ _c (<λ freier Raum) ist die Wellenlänge in dem Hohlraum 13.

Darauf wird geprüft, wie klein der Durchmesser der Antenne mit Rücksicht auf einen kleinen Oktantfehler gehalten werden kann. In diesem Zusammenhang zeigt Fig. 3 eine Darstellung des Spitzenoktantfehlers über dem Radialmaß einer Antenne. Daraus geht hervor, daß das größte Radialmaß der Antenne z. B. 0,12 λ nicht überschreiten sollte, um den Anforderungen der australischen Aufsichtsbehörde hinsichtlich eines Oktantfehler von unter 1,5° zu genügen. Dies entspricht einem Antennendurchmesser von etwa 0,60 m bei einer Sendefrequenz von 118 MHz.

Die Breite w jedes Schlitzes 12 ist nur insoweit kritisch, als sie den Q-Faktor der Antenne beeinflußt. Es ist erwünscht, daß ein niedriger Q-Faktor erzielt wird im Interesse der Vermeidung einer zu engen Bandbreite und daher sollte die Schlitzbreite nicht zu schmal sein. Typischerweise besitzt der Schlitz 12 eine Breite im Bereich von 5 bis 15 mm.

Die Tiefe a des Hohlraumes 13 wird als Funktion der Breite w und der Resonanzlänge l des Schlitzes 12 bestimmt (Fig. 6) und die Breite b des Hohlraumes ist durch die Sendeleistung der Antenne bestimmt.

Eine zweistufige Antenne wird normalerweise auf dem Dach einer UKW-Drehfunkfeuer-Sendestation 30 in der in Fig. 7 und 8 dargestellten Weise befestigt. Somit sind die Antenneneinheiten 10(1) und 10(2) an Tragstangen 16(1) und 16(2) befestigt, die durch eine Kupplung 31 miteinander verbunden sind, und die untere Tragstange 16(2) ist mit dem Gebäude 30 verbunden. Ein aus Fiberglas bestehendes Sockelmodul 32 schafft einen unteren Wetterschutz für die Struktur und zwei aus Fiberglas bestehende Radome 33 und 34 schaffen schützende Umhüllungen für die beiden Antenneneinheiten 10(2) bzw. 10(1).

Ein aus Fiberglas bestehendes Abstandsmodul 35 trennt die beiden Radome und eine Wetterschutzkappe 36 schließt das obere Radom. Einstiegluken 37 befinden sich in den beiden Radomen und in dem Abstandsmodul und die gesamte Struktur wird durch Drähte 38 abgespannt.

Claims (3)

1. UKW-Rohrschlitzantenne, insbesondere für Drehfunkfeuernavigationssysteme, mit einem Hohlzylinder, der eine in seiner Längsachse verlaufende Tragstange, parallel zu seiner Längsachse sich erstreckende, gleichmäßig auf seinen Umfang verteilte Längsschlitze, Einrichtungen für die Abstimmung der Längsschlitze sowie im Inneren des Hohlzylinders an die Längsschlitze sich anschließende spiralige, gegeneinander durch Metallwände getrennte Hohlraumresonatoren aufweist, deren Metallwände mit ihren einen Enden an der Tragstange befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, daß jede Metallwand (14) mit ihrem anderen Ende an einem der beiden Ränder eines der Längsschlitze (12) endet und zwischen beiden Enden derart stetig gekrümmt ist, daß die Hohlräume der Hohlraumresonatoren (13) parallel zueinander um die Hohlzylinderlängsachse gekrümmt sind.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß in den Hohlraumresonatoren (13) Einrichtungen (17, 18) für deren Feinabstimmung vorgesehen sind.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß jede Feinabstimmungseinrichtung aus zwei relativ zueinander verdrehbaren Abschnitten (17 a, 18 a) von metallischen Rohrsegmenten besteht, die isoliert voneinander und von den Metallwänden (14) der Hohlraumresonatoren (13) auf nichtleitenden, konzentrischen Röhren (17 b, 18 b) sitzen, die als Antriebselemente für die Rohrsegmente dienen.