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Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem etwa keulenförmigen Breitbandstrahler, der vorzugsweise die Form eines Ellipsoids mit einem Achsenverhältnis zwischen 1 und 1, 5 hat und vorzugsweise an dem der Speisungstelle abgewendeten Ende abgeplattet oder etwa konusförmig ausgebildet ist.
In der österr. Patentschrift Nr. 219666, ist eine Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Dipolstrahler mit nennenswerter Dicke im Vergleich zur Strahlerlänge angegeben, deren wesentliches Merkmal darin besteht, dass die einzelne Dipolhälfte die Form einer Kugel oder eines in der Strahlerachse sich erstreckenden Ellipsoids, insbesondere mit einem Achsenverhältnis von : höchstens 1, 5 :
1 hat und bei einem symmetrischen Dipol der Abstand der benachbarten Enden der Dipolhälften, bei einem unsymmetrischen Dipol der Abstand zwischen einer Reflektorebene und der benachbarten Dipolhälfte, derart klein im Vergleich zur Strahlererstreckung in Richtung der Strahlerachse gewählt ist, dass die zwischen den zueinander am nächsten liegenden Stellen auftretende Impedanz in der Grössenordnung des Wellenwiderstandes üblicher Koaxialleitungen, insbesondere zwischen 50 und 60 ss liegt. Diese Antennen haben die Eigenschaft, dass die oberhalb einer bestimmten, durch die Strahlerlängserstreckung vorgegebenen Frequenz eine praktisch konstante Anschlussimpedanz für den Anschluss einer Speiseleitung haben.
Wesentlich ist für diese Antennen einerseits die Gestaltung der Antennenform in der Umgebung des Fusspunktbereiches sowie der Übergang von diesem Fusspunktbereich in den übrigen Strahlerteil. Als Weiterbildung sind, z. B. in der Zeitschrift "Frequenz" Bd. 14/1960 Nr. l, S. 26 - 35, Formen angegeben, die diese Verhältnisse besonders günstig gestalten. So ist vor allem die Form einer Halbkugel oder eines in Längsrichtung halbierten Ellipsoids sehr gut brauchbar, wobei das Ellipsoid oder die Halbkugel einen zylindrischen Fortsatz haben kann und die Gesamtlänge der einzelnen Dipolhälfte ; im Vergleich zu ihrer grössten Breitenabmessung wenigstens angenähert gleich 1 gewählt ist.
Auch ein an dem der Speisungsstelle gegenüberliegenden Ende abgeplattetes Ellipsoid ist sehr gut anwendbar.
Der Erfindung liegt als Aufgabe zugrunde, mit derartigen Breitbandantennen Richtantennensysteme aufzubauen, die in einem grösseren Frequenzbereich ein wenigstens nahezu konstantes oder vorgegebenen Bedingungen folgendes Strahlungsdiagramm haben.
Ausgehend von einer Antennenanordnung der einleitend beschriebenen Art wird erfindungsgemäss diese Aufgabe in der Weise gelöst, dass dem keulenförmigen Breitbandstrahler ein Reflektorsystem aus mehreren Einzelreflektoren, insbesondere Winkelspiegeln oder Parabolspiegeln, zugeordnet ist, die vom Strahlerfusspunkt aus in Radialrichtung gestaffelt sind und deren wirksame Höhe in Radialrichtung derart zunimmt, dass der Reflexionsschwerpunkt des Reflektorsystems mit abnehmender Wellenlänge sich dem Strahlerfusspunkt nähert.
Vorzugsweise ist das Reflektorsystem derart ausgebildet, dass sich in einem Frequenzbereich von etwa 5 : 1 ein wenigstens nahezu gleichförmiges Richtdiagramm in der magnetischen und vorzugsweise auch der elektrischen Ebene ergibt.
Vorteilhaft ist es, wenn zwei Reflektorsysteme vorgesehen sind, die diametral zum Strahler liegen und die Strahlung desselben jeweils in Richtung zum Strahler bündeln, und wenn das eine der Reflektorsysteme nur für die kürzeren Betriebswellen als Reflektor wirkend dimensioniert ist und bei diesen Wellen
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zusammen mit dem Strahler ein Primarstrahlersystem für das andere Reflektorsystem bildet.
Zweckmässig ist es, wenn der Strahler und/oder das Reflektorsystem aus Einzelleiter, wie einem Drahtnetz, einer Drahtreuse od. dgl. besteht, und vorzugsweise mit überwiegender Leitfähigkeit in Richtung der elektrischen Feldlinien ausgebildet ist.
Vorteilhaft ist die Verwendung als Einzelsystem einer mehrere Einzelsysteme umfassenden Antennengruppe.
Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert. Die Fig. l zeigt in Seitenansicht ein Antennensystem nach der Erfindung. Ein keulenförmiger Breitbandstrahler 1 nach dem Stammpatent, der etwa die Form eines Ellipsoids mit einem Seitenverhältnis von etwa l : l hat, geht an seinem unteren Ende entsprechend der Lehre nach dem Anspruch 5 der österr. Patentschrift
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da dieser Teil des Strahlers für die Strahlungscharakteristik im wesentlichen ohne Bedeutung ist und die etwa konusförmige Ausgestaltung sich konstruktiv und bei Aufstellung der Antenne im Freien auch hinsichtlich der Witterungseinflüsse als günstig erwiesen hat.
Diesem Strahler 1 ist einReflektorsystem zugeordnet, das mehrere Einzelreflektoren 5, 6. 7 umfasst. Dieses Reflektorsystem zeichnet sich durch unterschiedliche wirksame Höhe der Einzelreflektoren aus. Der am weitesten vom Strahlerfusspunkt entfernte Reflektor 5 hat die grösste wirksame Höhe. Der Reflektor 6 ist etwas in seiner wirksamen Höhe vermindert und der Reflektor 7, der sich dem Strahlerfusspunkt am nächsten befindet, hat die geringste wirksame Höhe. Um eine gewisse Breitbandeigenschaft der einzelnen Reflektoren sicherzustellen, sind diese beim Ausführungsbeispiel als relativ dicke Stabstrahler ausgebildet.
Die Wirkungsweise des Systems kann man sich etwa wie folgt vorstellen. Bei der tiefgelegenen Grenzfrequenz der Antenne wirkt der Strahler 1 etwa wie ein üblicher Viertelwellenlängenstrahler, der sich über einer leitenden Ebene befindet. Nach höheren Frequenzen hin findet die Ablösung der Wellen mehr und mehr aus der Umgebung des Antennenfusspunktes statt. Bei ganz hohen Betriebsfrequenzen wirkt dann praktisch der Strahlerbereich im Fusspunkt, also das dem Speisungspunkt benachbarte Strahlerende ähnlich einem Hornstrahler. Dieser Hornstrahler bUndelt nur in der Vertikalebene und hat in der Horizontalebene ein Rundstrahldiagramm.
Entsprechend wandert der bei den längsten Betriebswellenlängen relativ hoch gelegene Strahlungsschwerpunkt mit zunehmender Betriebsfrequenz in den Fusspunktbereich des Strahlers l, also in die Nähe der Speisungsstelle. Damit ein Reflektor tatsächlich voll wirksam wird, ist es erforderlich, dass er bei der Betriebsfrequenz eine wenigstens etwas grössere Höhe als eine Viertelwellenlänge hat. Der Abstand des einzelnen Reflektors vom Strahlungsschwerpunkt ist im wesentlichen für das Richtdiagramm in der Horizontalebene bestimmend. Setzt man ein. Reflektorsystem aus mehreren Einzelreflektoren zusammen, dann lässt sich für dieses System fiktiv ein Schwerpunkt der Reflexion aus den Einzelreflexionen zusammensetzen.
Macht man demzufolge die wirksame Höhe der einzelnen Reflektoren, so wie beim Ausführungsbeispiel gezeigt, unterschiedlich hoch, so wandert der Reflexionsschwerpunkt mit abnehmender Betriebswellenlänge bzw. zunehmender Betriebsfrequenz in Richtung zu dem die geringste wirksame Höhe aufweisenden Reflektor. Diese Eigenschaft eines Reflektorsystems wird beim Erfindunggegenstand in der Weise ausgenutzt, dass mit dem Absinken des Strahlungsschwerpunktes des Strahlers 1 nach höherenFrequenzen hin auch der Reflexionsschwerpunkt des Reflexionssystems 5, 6, 7 näher an den Strahlerfusspunkt herangerückt wird.
Vor allem ist hiebei daran gedacht, dieses Heranwandem des Reflexionsschwerpunktes an den Strahlungsschwerpunkt so zu gestalten, dass das Verhältnis aus dem Abstand zwischen dem Strahlungsschwerpunkt des Strahlers 1 und dem Reflexionsschwerpunkt des Reflektorsystems 5, 6, 7 einerseits und derBetriebswellenlänge anderseits innerhalb des Betriebsfrequenzbereiches, insbesondere in einem Frequenzbereich von etwa 5 : 1, z. B. zwischen 6 und 30 MHz oder zwischen 500 und 2500 MHzwenigstens näherungsweise konstant bleibt. Ist dieses Verhältnis wenigstens näherungsweise konstant, so ergibt sich, wie Untersuchungen gezeigt haben, dass nicht nur innerhalb der Horizontalebene (magnetische Ebene) der Antenne ein näherungsweise konstantes Richtdiagramm gegeben ist, sondern auch innerhalb der Vertikalebene (elektrische Ebene).
Die Realisierung der leitenden Gegengewichtsfläche 2 kann bei sehr kurzen Wellen durch Verwendung eines zumindest sehr gut oberflächenleitenden Metallbleches geschehen. Bei längeren Wellen, z. B. Kurzwellen zwischen 1, 5 und 30 MHz empfiehlt sich die Verwendung an sich bekannter Erdnetze,
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vor allem mit radial verlaufenden Metallbändern oder Seilen.
In Fig. 2 ist eine Weiterbildung der Antennenanordnung nach Fig. 1 in der Weise gezeigt, dass an Stelle von einzelnen stabförmigen Reflektoren 5, 6, 7 flächenhafte Reflektoren 8, 9, 10 vorgesehen sind. Beim Ausführungsbeispiel haben diese flächenhaften Reflektoren ausserdem die Form von Zylinderparabolen. Die Höhe der einzelnen ZylinderparÅabolstreifen ist nach dem Antennenfusspunkt hin ähnlich dem Ausführungsbeispiel nach Fig. l abgestuft. Dadurch ergibt sich ein Wandern des Reflexionsschwerpunktes in Richtung zum Antennenfusspunkt hin bei Erhöhung der Betriebsfrequenz. Bei den längsten Betriebswellenlängen liegt der Antennenschwerpunkt kurz vor dem flächenhaften Reflektor 8 und bei den kürzesten Betriebswellenlängen etwa in der Gegend des flächenhaften Reflektors 10.
In Fig. 3 ist eine Antennenanordnung gezeigt, bei der als Reflektoren Winkelspiegel Anwendung finden.
Die Antennenanordnung ist dabei in Draufsicht gezeigt, so dass die Winkelspiegel 11 und 12 nur als Winkel sichtbar sind. Vorzugsweise ist in diesem Zusammenhang an die Verwendung von Winkelspiegeln mit einem Öffnungswinkel zwischen etwa 60 und 900 gedacht. Der Winkelspiegel 11 ist relativ nahe zum Strahler 1 angeordnet und im wesentlichen für die kürzeren Betriebswellenlängen bestimmt. Der Winkelspiegel 12 ist im grösseren Abstand hiezuvorgesehen und für die langen Betriebswellen bestimmt.
Dementsprechend hat der Winkelspiegel 11 eine nennenswert geringere wirksame Höhe im Vergleich zum Winkelspiegel 12. Damit ergibt sich ein Verhalten der Gesamtanordnung etwa wie folgt. Bei den längsten Betriebswellen tritt der Winkelspiegel 11 als Reflektor praktisch kaum in Erscheinung, u. zw. deshalb, weil seine Höhe zu gering ist, um den Winkelspiegel bei diesen Frequenzen als Reflektor wirken zu lassen. Dagegen wirkt bei diesen Wellenlängen der Winkelspiegel 12 voll als Reflektor und bündelt-im Sendefall-die vom Strahler 1 ausgehende Hochfrequenzenergie im wesentlichen in Richtung nach dem Strahler 1 hin, in der Zeichnung also nach links.
Mit Abnehmen der Betriebswellenlänge wird mehr und mehr der Reflektor 11 wirksam und der Reflektor 12 tritt als Primärreflektor in den Hintergrund, weil für kürzere Betriebswellenlängen sein Abstand vom Strahler 1 relativ gross wird. In diesemFall wirkt jedoch der Winkelspiegel 11 als Ausleuchtspiegel für den Reflektor 12, der in diesem Fall somit bei diesen Frequenzen ähnlich einem Umlenkspiegel für die vom Strahlersystem 1, 11 ausgehenden Primärstrahlung wirkt bzw. im Empfangsfall auf dieses Primärstrahlersystem 1, 11'konzentriert.
In diesem Zusammenhang ist auch daran gedacht, an Stelle von Winkelspiegeln entsprechende Parabolspiegel zu verwenden und an Stelle von einzelnen Spiegeln 11,12 jeweils Reflektorsysteme zu setzen, die ähnlich denen in den Fig. l und 2 behandelten arbeiten, d. h. auch für sich eine Wanderung des Reflexionsschwerpunktes in Richtung zum Strahlerfusspunkt aufweisen. Vor allem in diesem Fall ist es möglich, einen praktisch kontinuierlichen Übergang von den langen Betriebswellenlängen zu den kürzesten Betriebswellenlängen zu erzielen.
In Fig. 4 ist die Anwendung der Lehre nach der Erfindung bei einem Parabolspiegel als Richtantenne gezeigt, wie er beispielsweise in Richtfunkstrecken Verwendung finden kann. Ein symmetrischerDipol 14, dessen Einzelstrahler entsprechend den im Stammpatent gemachten Ausführungen ausgebildet sind, wird von einer durch den Spiegelscheitel des Parabolspiegels 13 geführten Koaxialleitung 4 gespeist, über die im Empfangsfall die Hochfrequenzenergie entnommen werden kann. Auf der dem Spiegelscheitel abgewendeten Seite des Dipols 14 ist ein erfindungsgemässes Reflektorsystem 15 vorgesehen, das in Fig. 4 nur stilisiert angedeudet ist.
Dieses Reflektorsystem soll ähnlich dem an Hand der Fig. l erläuterten System die Eigenschaft haben, dass sein Reflexionsschwerpunkt mit zunehmender Betriebsfrequenz in Richtung zumFusspunkt des Strahlers 14 wandert. Der einzelne Reflektor des Reflektorsystems 15 kann hiebei als Stabstrahler, ähnlich der Fig. l, oder als kleine ebene oder. auch gekrümmte Reflektorfläche ausgebildet werden.
In Fig. 5 ist noch gezeigt, wie sich erfindungsgemässe Antennenanordnungen, beispielsweise zu einer, relativ hohe Richtschärfe aufweisenden Antennengruppe zusammensetzen lassen. Es sind drei Strahler 16, 17, 18 in einer Ebene nebeneinanderliegend angeordnet. Jedem der Strahler ist ein Reflektorsystem. 19, 20, 21 zugeordnet. Beim Ausführungsbeispiel besteht jedes Reflektorsystem aus zwei unterschiedliche wirksame Höhe aufweisenden Winkelspiegeln. An Stelle dieses Reflektorsystems kann auch ein mehr als zwei Einzelreflektoren aufweisendes System treten. Auch ist in diesem Zusammenhang daran gedacht, andere Formen, beispielsweise Zylinderparabole, für die Einzelreflektoren zur Anwendung zu bringen.
Der Abstand benachbarter Strahler (16, 17 bzw. 17,18) liegt z. B. in der Grössenordnung einer Betriebswellenlänge. Werden die Strahler wenigstens näherungsweise gleichphasig gespeist, so ergibt sich in der magnetischen Ebene bzw. in der Horizontalebene des Systems eine scharf gebündelte Richtcharakteristik. Der Vorteil dieses Systems liegt weiterhin darin, dass auch ein nahezu einheitliches Strahlungs-
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diagramm in der Vertikalebene, also in der elektrischen Ebene, innerhalb des Betriebsbereiches gegeben ist. Vor allem ist dies hinreichend gut in einem Betriebsbereich gewährleistet, der zwischen dem einfachen und dem fünffachen der unteren Grenzfrequenz der Gesamtantenne liegt. Die Einzelantennen können z.
B. zur Erzeugung eines Strahlungsdiagramms mit bevorzugten Strahlungsrichtungen um gewisse Winkelbeträge mit ihren Hauptstrahlungsrichtungen gegeneinander versetzt werden.
Hinsichtlich der Ausbildung der Strahler und der einzelnen Reflektoren hat es sich im Bereich relativ sehr kurzer Wellen als zweckmässig erwiesen, diese als geschlossene Leiterflächen auszubilden. Diese Leiterflächen werden vorteilhaft auf der Oberfläche mit einem gut leitenden Belag, wie einem Silberbelag, versehen. Fur längere Wellen ist vor allem an die Verwendung von Netzen oder Reusen für die einzelnen Reflektoren bzw. die Strahler gedacht. Wesentlich ist hiebei, dass in Richtung der elektrischen Feldlinien die einzelne Reflektorfläche bzw. der Strahler eine gute Leitfähigkeit hat, möglichst unter Vermeidung jeglicher Unterbrechungen, da diese Kontaktschwierigkeiten verursachen können. Die Nach-
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Eingehen hierauf erübrigt.
Zum Beispiel sind die Strahler entsprechend der zur Anwendung kommenden Leiterzahl dicker auszuführen im Vergleich zurVollmetalloberflächen-Ausbildung. Für die Winkelreflek- toren ist im Zusammenhang mit der Erfindung vor allem an die Verwendung einer Ausführung gedacht, bei der die Winkelspiegelfläche durch einzelne stab-oder drahtförmige Leiter, die in Richtung der elektrischen Feldlinien verlaufen, und relativ eng zueinander benachbart sind, nachgebildet ist.
Es ist weiterhin auch daran gedacht, z. B. innerhalb des einzelnen Reflektorsystems in der Form unterschiedliche Reflektoren zu verwenden, da dies in manchen Fällen auch konstruktiv Erleichterungen bringen kann. Weiterhin empfiehlt es sich, in manchen Fällen die Reflektoren des einzelnen Systems nicht nur über das Erdnetz zu verbinden, sondern in höherer Lage über eine oder mehrere Zwischenverbindungen miteinander zu koppeln.
PATENTANSPRÜCHE :
1. Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem etwa keulenförmigen Breitbandstrahler, insbesondere in Form eines Ellipsoids mit einem Achsenverhältnis zwischen 1 und 1, 5, der vorzugsweise an dem der Speisungsstelle abgewendeten Ende abgeplattet oder etwakonusförmigausgebildetist, dadurch gekennzeichnet, dassdemkeulenförmigen Breitband- strahler ein Reflektorsystem aus mehreren Einzelreflektoren, insbesondere Winkelspiegeln oder Parabolspiegeln, zugeordnet ist, die vom Strahlerfusspunkt aus in Radialrichtung gestaffelt sind und derenwirksame Höhe in Radialrichtung derart zunimmt, dass der Reflexionsschwerpunkt des Reflektorsystems mit abnehmender Wellenlänge sich dem Strahlerfusspunkt nähert.