DE973684C - Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus vorzugsweise gleichphasig gespeisten, in Gruppen angeordneten Längsstrahlern.

Sollen mit normalen Parabolantennen, Trichterstrahlern oder Dipolwänden mittels starker Bündelung extrem große Leistungsgewinne erzielt werden, so sind dazu Halbwertsbreiten des Strahlungsdiagramms in der Größenordnung i° erforderlich. Diese außerordentliche Bündelungsschärfe kann aber bei bekannten Antenneneinrichtungen nur durch eine Antennenfläche erreicht werden, deren Abmessungen im Vergleich zur Wellenlänge groß sind. Die räumlichen Abmessungen und damit auch das Gewicht solcher Antennen sind selbst bei Dezimeter- und Zeutimeterwellen noch sehr groß. Der bei großen Antennenabmessungen auftretende Winddruck und die Tatsache, daß solche Antennen eine sehr starke Bündelungsschärfe aufweisen, setzen voraus, daß das Antennensystem stabil gebaut und vollkommen ruhig gehalten wird. Diese Forderung fällt insbesondere dann ins Gewicht, wenn als Antennenträger ein entsprechend stabiler Antennenturm errichtet werden soll.

Maßgebend für den Wirkungsgrad einer Antenne ist die Flächenausnutzung, die sich aus dem Verhältnis der Wirkfläche zur geometrischen Antennenfläche ergibt. Unter Wirkfläche ist dabei die Fläche zu verstehen, durch die eine ebene Welle ebensoviel

Energie transportieren kann, wie die Antenne ihr (im Empfangsfall) maximal entziehen kann. Den durch die Bündelung erzielbaren Leistungsgewinn im Vergleich zum Elementardipol bezeichnet man als »Gewinn« der Antenne. Bekannte Richtantennen mit hohem Gewinn haben eine relativ geringe Flächenausnutzung.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf dem es möglich ist, die ίο Flächenausnutzung im Vergleich zu den bekannten Richtantennen wesentlich zu erhöhen.

Diese Aufgabe wird, ausgehend von einer Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus vorzugsweise gleichphasig gespeisten, in Gruppen angeordneten Längsstrahlern, gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß zur wesentlichen Vergrößerung der Flächenausnutzung der Richtantenne die einzelnen Längsstrahler derart ausgebildet sind, daß diese für sich bereits gute Bündelungseigenschaften besitzen, und daß diese für sich bereits gut bündelnden Längsstrahler, beispielsweise zu einer leitenden oder nichtleitenden Wand senkrecht stehend, in Vierergruppen oder in Gruppen größerer Einheiten angeordnet sind. Als Längsstrahler können beispielsweise in Strahlungsrichtung angeordnete, leitungsgespeiste oder strahlungsgespeiste Strahlerelemente, z. B. Dipole, dielektrische Stäbe, Rohre oder Streifen, Einfach- oder Mehrfach-Rhombusantennen oder Hohlleitungen, verwendet werden, die beispielsweise zu einer leitenden oder nichtleitenden Wand, im wesentlichen senkrecht stehend, in Vierergruppen oder in Gruppen größerer Einheiten angeordnet sind.

Es ist an sich ein Richtstrahlersystem mit einer Vielzahl parallel geschalteter Strahler bereits vorgeschlagen. Nach diesem Vorschlag bestehen die Richtstrahler jedoch aus älteren Hornstrahlern, während es für den Erfindungsgegenstand wesentlieh ist, daß die einzelnen Strahler als Längsstrahler ausgebildet sind. Es ist weiterhin eine Richtantenne mit dielektrischen Stielstrahlern vorgeschlagen. Dieser Vorschlag befaßt sich jedoch im wesentlichen mit einer besonderen Art des Phasenabgleich^ zwischen den einzelnen Stielstrahlern, nicht aber mit einer Ausbildung nach der Lehre der Erfindung. Durch die französischen Patentschriften 937 835 und 938 610 ist es bekannt, wie Längsstrahler zur Erzielung besonderer Strahlungscharakteristiken zu dimensionieren sind. Demgegenüber handelt es sich bei der Erfindung um die Ausbildung einer Richtanntenne, die sich aus mehreren Längsstrahlern zusammensetzt; eine Problemstellung, die in den beiden Patentschriften in diesem Sinne nicht behandelt wird.

Nachstehend wird die Erfindung an Hand der in den Fig. 1 bis 9 gezeigten Ausführungsbeispiele näher erläutert.

Fig. ι zeigt beispielsweise eine auf der Wand 1 senkrecht stehende Gruppe von Yagi-Antennen 2, deren einzelne Strahlerelemente 3 durch Strahlungskopplung mit einem durch eine Energieleitung gespeisten Dipol dieser Strahlerelemente erregt werden. Die Länge der Yagi-Antennen wird vorzugsweise groß im Vergleich zur .Betriebswellenlänge gewählt. Die Energieleitung kann beispielsweise durch die Wand 1 in den Träger der Strahlerelemente und dann an das zu speisende Strahlerelement geführt werden. Ein solches Strahlersystem läßt sich durch geeignete Verstrebung, z. B. mittels dielektrischer Drähte, in sich verfestigen.

Bei der in Fig. 2 dargestellten Strahleranordnung sind die einzelnen Dipole 4 durch Speiseleitungen 5 so erregt, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der angeregten elektromagnetischen Welle etwas kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit. Es wird somit erreicht, daß das Speiseleitungssystem 5 mit den auf ihm angeordneten Dipolen für sich allein bereits eine gute Bündelung der Strahlung ergibt, so daß beim Zusammenwirken der Strahlergruppen eine sehr große Bündelungsschärfe, aber insbesondere auch eine sehr große Flächenausnutzung erzielt werden kann.

Fig. 3 zeigt eine Ausführungsform von zu einer Gruppe zusammengesetzten dielektrischen Antennen 6, die vorzugsweise mehrere Betriebswellenlängen lang sind. Diese Stäbe können in an sich bekannter Weise gespeist und in beliebigen Gruppen zusammengefaßt auf der beispielsweise metallischen Wand 1 senkrecht stehend angeordnet sein. Beispielsweise kann man Antennen aus gegebenenfalls konischen Stäben von rundem oder rechteckförmigem Querschnitt aus dielektrischem Material verwenden, für die die Wand 1 als Rerlektor dient. In diese dielektrische Antenne ist ein gespeister Erregerdipol eingebettet. In gleicher Weise können Rohre oder Streifen aus dielektrischem Material verwendet werden. Bei einer derartigen Wellenerregung ist die Phasengeschwindigkeit der erregten Wellen an den Längsstrahlern kleiner als die Lichtgeschwindigkeit, so daß ein einzelner Stab für sich allein bereits eine gute Verbündelung ergibt, im Zusammenwirken mit anderen also die gewünschte scharfe Bündelung bewirkt.

In Fig. 4 ist der Längsstrahler durch eine dielektrische -Doppelleitung 7 gebildet. Vorteilhafterweise gibt man den Leitungsstücken eine am freien Ende abgerundete oder zum Ende spitz zulaufende Form.

Fig. 5 zeigt die Verwendung von Rhombusantennen, die an der Wand 1 in Gruppen von z. B. vier Rhombusantennen zusammengefaßt sind. Bekanntlich weisen Rhombusantennen wegen des Ab-Schlusses mit ihrem Wellenwiderstand ein breitbandiges Verhalten auf. Durch ein geeignet ausgebildetes Traggerüst 8 kann die Rhombusantenne sehr stabil gemacht werden. Als vorteilhaft erweist sich dabei ein kreuzförmiges Traggerüst, so daß an den Gerüstenden die Eckpunkte der Leiterteile 9 bzw. der Abschluß widerstand 10 der Rhombusantenne befestigt werden können.

Zur Erhöhung des Wirkungsgrades einer aus Rhombusantennen bestehenden Richtantenne nach der Erfindung können auch mehrere hintereinander-

geschaltete Rhombusantennen zu Gruppen angeordnet werden, wobei nur die letzte Rhombusantenne mit einem Ohmschen Widerstand abgeschlossen ist. Es wird auf diese Weise nicht nur der Wirkungsgrad, sondern auch die Bündelungsschärfe der Antennenanlage vergrößert, ohne daß die frontale Fläche und damit z. B. der Luftwiderstand der Anlage zunimmt.

Es ist der Vorschlag gemacht worden, Längsstrahler nach dem Hohlleiterprinzip aufzubauen. Ein derartiger Längsstrahler besteht aus einem Hohlleiter, der stufenweise in Hohlleiter anderen Querschnitts übergeht und so ausgebildet ist, daß an Stellen des Querschnittssprunges ein Teil der elektromagnetischen Energie aus dem Hohlraum abgestrahlt werden kann. Die an diesen Querschnittssprungstellen entstehenden öffnungen werden vorzugsweise mit dielektrischen Stoffen abgeschlossen, so daß dadurch Witterungseinflüsse auf den Strahler vermieden werden. Die elektrischen Eigenschaften dieser Isolierstoffe kann man insbesondere so wählen, daß eine gute Anpassung des Strahlungswiderstandes der Öffnungen an den Wellenwiderstand des freien Raumes erzielt wird. Gleichzeitig können diese dielektrischen Stoffe zur Halterung und zur Verfestigung des Hohlleiteraufbaues dienen. Ausführungsbeispiele hierfür sind in den Fig. 7 bis 9 wiedergegeben.

Fig. 7 zeigt einen Hohlleiterlängsstrahler mit rechteckförmigem Querschnitt, der an der Seite großen Querschnitts gespeist wird. Der Hohlleiter 11 geht sprungartig in die Hohlleiter 12 und 13 über, die zwar die gleiche Hohlleiterbreite, aber eine stufenartig abnehmende Höhe aufweisen. Die dabei entstehenden Querschnittsöffnungen 14, 15 und 16 wirken als Strahleröffnungen, die in ihrer Gesamtheit ein in Leitungsachse gerichtetes Strahlungsdiagramm ergeben. Die Längen der einzelnen Hohlleiterabschnitte richten sich nach der Betriebswellenlänge.

Ausführungsformen für runde Hohlleiter zeigen die Fig. 8 und 9. Ein runder Hohlleiter 17, der sich z. B. exponentiell oder konisch erweitert, wird an der Stelle 18 abgesetzt und in die so entstehende Öffnung ein z. B. konisch oder dergleichen ausgebildetes Hohlleiterstück eingesetzt, wobei die Durchmesser der Hohlleitungsstücke so gewählt werden, daß die Betriebswellenlänge in diesen Hohlleiterstücken existieren kann und daß an den abgesetzten Hohlleitungsstellen eine Strahleröffnung entsteht. Das letzte Hohlleiterstück 19 kann an seinem offenen Ende z. B. als kleiner Trichterstrahler ausgebildet sein. Eine ähnliche Ausführungsform ist in Fig. 9 gezeigt, bei der die Strahleröffnungen an den Hohlleitersprungstellen nicht kreisringförmig sind, sondern durch die Differenzflächen von Kreis- und Ellipsenflächen gebildet werden. Man erreicht auf diese Weise eine besondere Bündelung in der Ebene, die längs der Hohlleiterachse durch die Differenzflächenöffnungen verläuft. Auch bei dieser Ausführungsform ist es sehr vorteilhaft, an den Strahleröffnungen, in den Figuren kreuzgestrichelt gezeichnet, dielek- j irische Stoffe anzubringen, die den Aufbau solcher Strahleranordnungen wesentlich erleichtern, eine Anpassung zwischen Strahlungswiderstand und Wellenwiderstand des freien Raumes bewirken und damit eine leichtere Ablösung der elektromagnetischen Wellen ermöglichen und insbesondere ein Eindringen von Wasser in die Strahleröffnungen verhindern.

Solche Hohlleiterlängsstrahler können gemäß der Erfindung in Strahlergruppen zusammengefaßt an einer leitenden Wand angeordnet sein. Auf der Rückseite der Wand kann die Speisung der Hohlraumstrahler erfolgen. Die Speisung der einzelnen Strahler kann z. B. durch an der Rückseite angeordnete, in die Speiseleitung eingeschaltete Umwegleitungen, z. B. durch U-förmige Leitungen, phasenrichtig eingestellt werden.

Es wird weiter vorgeschlagen, zwischen den Längsstrahlern Mittel anzuordnen, welche die Strahlungseigenschaften wenigstens eines der Längsstrahler verändern. Dies kann beispielsweise durch Blenden aus dielektrischen oder leitenden Stoffen erfolgen, die vorzugsweise zwischen den vorderen Enden der Längsstrahler einstellbar angebracht werden. Solche Blenden können z. B. rechteck- oder kreisförmige Gestalt haben. Durch Schwenken dieser Blenden oder durch Verändern der Lage im Raum zwischen den einzelnen Längsstrahlern kann das Richtdiagramm der Richtantenne beeinflußt bzw. gesteuert werden.

Zum Schutz der Richtantenne empfiehlt es sich, die ganze Strahlergruppe in ein Gehäuse aus Isolierstoff einzubauen. Die einzelnen Längsstrahler können dann beispielsweise an ihren vorderen Enden mit diesem Gehäuse verbunden werden, so daß das Gehäuse stabiler wird und die Längsstrahler gegeneinander ihre Lage nicht verändern können. Ein solches Gehäuse kann beispielsweise die Form eines Würfels erhalten. Der Gefahr einer Vereisung kann durch Heizen des Würfelhohlraumes oder der Längsstrahler entgegengetreten werden.

Ein besonderer Vorteil einer Anordnung nach der Erfindung liegt noch darin, daß die geometrischen Abmessungen klein bleiben im Vergleich zu anderen stark bündelnden Richtantennen, z. B. Parabolantennen. Weder der Luftwiderstand der die Längsstrahler tragenden Wand noch der Luftwiderstand der sich von dieser Wand erstreckenden Längsstrahler ist sehr groß. Um die Strahleranordnung stabiler aufbauen zu können, genügt es, die Längsstrahler unter sich zu verfestigen, z. B. durch Verstreben oder Verspannen mittels Hanfseil oder Isolierstreben; vorteilhafterweise läßt sich auch ein besonderes Antennentraggerüst verwenden, wie dies beispielsweise aus Fig. 5 und 6 zu ersehen ist.

Bei Längsstrahleru nach den Fig. 7 bis 9 kann durch Einbringen von dielektrischen Stoffen in die Hohlleiterstücke erreicht werden, daß die Phasengeschwindigkeit der elektromagnetischen Welle ungefähr gleich der Lichtgeschwindigkeit ist. Solche Längsstrahler können dann sehr breitbandig sein.

Claims (12)

1. Patentansprüche:

   ι. Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus vorzugsweise gleichphasig gespeisten, in Gruppen angeordneten Längsstrahlern, dadurch gekennzeichnet, daß zur wesentlichen Vergrößerung der Flächenausnutzung der Richtantenne die einzelnen Längsstrahler derart ausgebildet sind, daß sie

   ίο für sich bereits gute Bündelungseigenschaften besitzen, und daß diese für sich bereits gut bündelnden Längsstrahler, beispielsweise zu einer leitenden oder nichtleitenden Wand senkrecht stehend, in Vierergruppen oder in Gruppen größerer Einheiten angeordnet sind.
2. 2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Längsstrahler Yagi-Antennen aus in Strahlungsrichtung hintereinander angeordneten, zu der Strahlungsrichtung senkrecht stehenden strahlungsgespeisten Dipolen vorgesehen sind.
3. 3. Richtantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Yagi-Antennen aus in Strahlungsrichtung hintereinander angeordneten Dipolen bestehen, die durch Speiseleitungen so erregt sind, daß die Fortpflanzungsgeschwindigkeit der elektromagnetischen Wellen kleiner ist als die Lichtgeschwindigkeit.
4. .4. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Längsstrahler dielektrische Stäbe, Rohre oder Streifen verwendet sind.
5. 5. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß als Längsstrahler Einfachoder Mehrfach-Rhombusantennen verwendet sind.
6. 6. Richtantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiter der Rhombusantennen vorzugsweise aus Rohren oder Profilmaterial hergestellt sind und an einer in Richtung der großen Diagonale laufenden Tragkonstruktion gestützt sind.
7. 7. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Längsstrahler aus einem stufenweise abgesetzten, an diesen Stellen offenen Hohlleiter besteht.
8. 8. Richtantenne nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen stufenweise abgesetzten Hohlleiter rechteckförmigen Querschnitts.
9. 9. Richtantenne nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch einen stufenweise abgesetzten Hohlleiter runden Querschnitts.
10. 10. Richtantenne nach Anspruch 7, gekennzeichnet durch eine derartige Ausbildung des Längsstrahlers, daß an eine Hohlleitung mit kreisförmigem Querschnitt ein Hohlleitungsstück mit ellipsenförmigem Querschnitt anschließt, welches wiederum in ein Hohlleitungsstück mit kreisförmigem Querschnitt übergeht.
11. 11. Richtantenne nach einem der Ansprüche 7 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die durch die Querschnittsflächenunterschiede an aneinanderstoßenden Hohlleiterstücken entstehenden, die Strahlerflächen bildenden Öffnungen durch dielektrische Stoffe abgedeckt sind.
12. 12. Richtantenne nach Anspruch 11, gekennzeichnet durch eine solche Wahl der Dielektrizitätskonstante der dielektrischen Stoffe, daß diese als Anpassungsmittel zwischen Hohlleiter und freiem Raum dienen.

    In Betracht gezogene Druckschriften: Französische Patentschriften Nr. 937 835,

    938610; Der Feriimelde-Ingenieur, H. i, April 1951,

    S.15 und

    Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

    © 909 772/20 4.