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Richtantenne
Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne in Form einer längsstrahlenden Oberflächenwellenantenne zum Senden und Empfangen sehr kurzer elektromagnetischer Wellen.
Richtantennen dieser Art sind als sogenannte Yagi-Antennen bzw. Leitscheibenantennen (s. z. B.
"Bündelung elektrischer Wellen durch Leitscheiben", Zeitschrift für angewandte Physik, VI Band, Heft 10 [1965], S. 462... 470) u. dgl. bekannt. Um einigermassen guten Gewinn zu erzielen, ist eine
Vielzahl von Dipolen nötig und die Abmessungen werden sehr gross.
Es sind in neuerer Zeit auch sogenannte short-backfire-Antennen bekanntgeworden, die aus zwei Reflektoren, einem dazwischenliegenden Speiseelement sowie dazwischenliegenden wellenführende Strukturen bestehen und bei denen die Anordnung so getroffen ist, dass mindestens ein Teil der vom Speiseelement abgestrahlten Wellen an den an beiden Enden der Antenne liegenden Reflektoren reflektiert wird und der überwiegende Teil der Energie an einem Antennenende abgestrahlt wird (deutsche Patentschrift Nr. 1167920).
Ferner sind sogenannte short-backfire-Antennen bekannt, bei denen die wellenführende Struktur zwischen den Reflektoren weggelassen ist, die also nur aus zwei Reflektoren und einem dazwischen angeordneten Speiseelement bestehen (Proceeding of the IEEE, Vol. 53, No. 8, August [1965], S. 1138... 1140).
Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Richtantenne der eingangs erwähnten Art so weiterzubilden und zu verbessern, dass mit ihr trotz geringerem Aufwand an Dipolen u. dgl. ein höherer Gewinn erzielt wird als mit einer der oben erwähnten bekannten Richtantennen, und dass sie auch in einem breiteren Frequenzband Anwendung finden kann.
Diese Aufgabe wird ausgehend von einer Richtantenne der eingangs erwähnten Art erfindungsgemäss dadurch gelöst, dass ein Strahler, bestehend aus zwei Reflektoren und einem dazwischen angeordneten Speiseelement, deren gegenseitige Abstände so gewählt sind, dass mindestens ein Teil der vom Speiseelement abgestrahlten Wellen von beiden Reflektoren reflektiert und der überwiegende Teil der Energie an dem einen Strahlerende abgestrahlt wird, als Speiseelement für ein oder mehrere wellenführende Strukturen dient, auf denen sich die elektromagnetische Welle mit einer Phasengeschwindigkeit langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ausbreitet und wobei die Symmetrieachse des Strahlers bei Anordnung einer einzigen wellenführenden Struktur mit deren Längsachse und bei Anordnung mehrerer wellenführender Strukturen mit deren Mittelachse zusammenfällt.
Durch die erfindungsgemässe Kombination einer bekannten short-backfire-Antenne mit einer an sich durch die Yagi- oder Leitscheibenantennen bekannte wellenführende Struktur wird eine Richtantenne geschaffen, die einen wesentlich höheren Gewinn besitzt, als alle bisher bekannten Richtantennen dieser Art. Sie ermöglicht auch Richtdiagramme mit extrem niedriger Rückwärtsstrahlung.
Dabei wird die Gewinnerhöhung vor allem dadurch erreicht, dass die wellenführende Struktur durch das aus einem Speisedipol und zwei Reflektoren gebildete Speisesystem angeregt wird, dessen Gewinn wesentlich höher als der Gewinn der üblichen meist aus einem Speisedipol und nur einem Reflektor bestehenden Speisesystem von bekannten Längsstrahlern, z. B. Yagis, liegt. Das Speisesystem der
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Vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemässen Richtantenne ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung.
Die Erfindung sowie vorteilhafte Einzelheiten der Erfindung werden im folgenden an Hand schematischer Zeichnungen an Ausführungsbeispielen näher erläutert.
Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele für den Aufbau eines Hohlraumstrahlers, wie er zur erfindungsgemässen Kombination mit einer davor angeordneten wellenführenden Struktur besonders geeignet ist.
Fig. 6 bis 12 zeigen Ausführungsformen von erfindungsgemäss kombinierten Richtantennen mit wellenführenden Strukturen.
Der in Fig. 1 dargestellte Strahler besteht aus einem kreisförmigen, ebenen Reflektor --M-- und einem im Abstand davor angeordneten Reflektor-R-, der seinerseits aus drei Reflektorstäben besteht.
Die beiden Reflektoren --M und R-sind in Ebenen quer zur Längsachse --h-- der Antenne angeordnet.
Zwischen diesen beiden Reflektoren --M und R-- ist ein Speiseelement --F-- in Form eines Dipols angeordnet. Der Reflektor --R-- kann auch eine Metallscheibe von weniger als 1/10 der Fläche des Reflektors --M-- sein. Die axiale Länge-L-des Strahlers beträgt ungefähr eine halbe Wellenlänge.
Der den Strahler speisende Dipol-F-- liegt gewöhnlich in der Mitte zwischen den Reflektoren --M und R--. Durch Verschieben des Dipols aus der Mitte kann der Eingangswiderstand des Dipols an die Speiseleitung angepasst werden. Die Richtwirkung des Strahlers lässt sich durch eine den äusseren Reflektorrand umgebende Randfläche --B-- von 0,25 bis 0,5 Wellenlängen Breite noch wesentlich verbessern.
Man kann eine axiale Verstellbarkeit des Reflektors-R-und damit eine Veränderung der Länge - vorsehen oder auch mitfesteingestellter Länge --L-- arbeiten, wobei die Reflektoren --M und R-für die höchste Frequenz des gewünschten Frequenzbereiches und die Länge für 3/4 dieser Frequenz optimal bemessen werden.
Bei der in Fig. 2 gezeigten Antenne ist noch ein dritter Reflektor --8-- vorgesehen, der ungefähr die gleiche Form und Grösse wie der Reflektor --R-- hat. Dieser Reflektor --8-- ist ausserhalb in einem
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Zusammenwirkens der verschiedenen Parameter muss der Optimalwert des Abstandes --G--, der im allgemeinen zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge --L-- liegt, experimentell ermittelt werden.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Reflektoren-M, R und S-- wurden beste Ergebnisse über einen Frequenzbereich von mehr als 2 : 1 bei folgenden Abmessungen des Strahlers, ausgedrückt in der Wellenlänge X der höchsten Frequenz erreicht :
Durchmesser des Reflektors M 2,00 X
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Breite der Randfläche B 0, 35 À Länge L 0, 67 # Abstand zwischen R und S G 0, 16 X.
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Polarisation müssen diese Stäbe-Q--, falls sie aus Metall hergestellt sind, senkrecht zur Polarisationsrichtung verlaufen (--Q-- für vertikale,-Q, für horizontale Polarisation), für zirkular Polarisation müssen sie aus nichtleitendem Material bestehen.
Zum Aufbau einer erfindungsgemässen Richtantenne kann jede der beschriebenen Ausführungen von Strahlern mit jeder bekannten wellenführenden Struktur kombiniert werden, z. B. mit einer Dipolantenne, einer Leitscheibenstruktur, einer Wendel oder einem dielektrischen Stab.
Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemässen Richtantenne. Der in Fig. l gezeigte Strahler ist hier mit einer wellenführenden Struktur --D-- kombiniert, die wie bei der bekannten Yagi-Antenne, aus einer Reihe von Direktoren gebildet wird. Zur Vereinfachung der Zeichnungen sind die Abstände zwischen Reflektoren, Speisedipol und Direktoren gleich gross gewählt. Der Speisedipol und der Reflektor --M-- wird dabei an der gleichen Stelle wie der Speisedipol und der Dipolreflektor einer bekannten Yagi-Antenne angeordnet. Der Reflektor --R-- ersetzt den ersten Direktor einer bekannten Yagi-Struktur.
Der Gewinn einer solchen kombinierten Richtantenne steigt mit der Verlängerung der wellenführenden Struktur-D-. Die optimale Phasengeschwindigkeit der kombinierten Richtantenne ist verschieden von der eines bekannten Längsstrahlers gleicher Länge. Gewinn und Diagramme der Richtantenne werden noch etwas verbessert, wenn man die Direktoren-D-nach dem abstrahlenden Ende der Antenne hin in an sich bekannter Weise von Dipol zu Dipol in ihrer Länge verkleinert.
Der horizontale Verlauf des Speisedipols --F-- nach Fig. 6 zeigt an, dass diese Antenne für horizontale Polarisation gedacht ist. Für vertikale Polarisation müssen sich sämtliche Dipole in vertikaler Richtung erstrecken. Für alle übrigen Polarisationswinkel sollte am besten ein Kreuzdipol als Speisedipol verwendet werden, sollte Reflektor --R-- eine kreisförmige Scheibe mit ungefähr 0,5 Wellenlängen Durchmesser sein, und muss die wellenführende Struktur aus Kreuzdipolen bestehen oder eine andere für die vorgesehene Polarisation geeignete wellenführende Struktur sein.
Die Länge einer erfindungsgemässen Richtantenne lässt sich ohne Absinken des Antennengewinnes verkürzen, wenn man vor dem Strahler zwei oder mehrere wellenführende Strukturen vorsieht, die entweder übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
Fig. 7 zeigt z. B. einen derartigen Aufbau mit zwei übereinander angeordneten wellenführenden Strukturen --D 1 und Dz --. Der Reflektor --M-- hat hier eine quadratische Form. Er ist nur auf den in
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Ordnet man die beiden wellenführenden Strukturen übereinander oder nebeneinander an, dann verringert sich die Breite der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms in der H-Ebene bzw. in der E-Ebene ohne merkliche Veränderungen in der E-bzw. H-Ebene. Die gleichzeitige Anordnung von zwei oder mehr wellenführenden Strukturen über- und nebeneinander verschmälert die Hauptkeule in beiden Ebenen.
Durch Verschieben der wellenführenden Strukturen innerhalb der Apertur des Strahlers und durch Ver- änderung ihrer Phasengeschwindigkeit lässt sich das Nebenzipfelverhalten und der Gewinn des erfindungsgemässen Längsstrahlers, wie dies die Fig. 8 bis 12 zeigen, beeinflussen.
Es sei besonders darauf hingewiesen, dass die beschriebene Anordnung von mehreren wellenführenden Strukturen vor dem Strahler nichts mit der bekannten Anordnung von zwei oder mehr Yagi-Antennen vor einem gemeinsamen ebenen oder abgewinkelten Reflektor zu tun hat. Bei einem derartigen bekannten Strahler wird die wellenführende Struktur jeder einzelnen Yagi-Antenne durch einen eigenen Dipol, oder von je zwei solcher Antennen durch einen Doppeldipol gespeist und die wellenführenden Strukturen müssen zwecks starker Kopplung immer in kleinem Abstand vor ihren Speisedipolen angeordnet sein. Im Gegensatz dazu werden die zwei oder mehr wellenführenden Strukturen bei dem erfindungsgemässen Längsstrahler aus der Apertur des Strahlers gespeist, wobei der Strahler selbst von einem einzigen mit den wellenführenden Strukturen nicht direkt gekoppelten Speiseelement angeregt wird.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele für die Anordnung der wellenführenden Strukturen - D-bei linear polarisierten Richtantennen, bei welchen die hier nicht dargestellten Speisedipole in der jeweiligen Polarisationsrichtung angeordnet sind. Die Fig. 11 und 12 zeigen Ausführungsbeispiele für Antennen mit mehreren wellenführenden Strukturen, u. zw. für beliebige Polarisationsrichtungen, bei jenen nicht näher gezeigte Kreuzdipole als Speiseelement vorgesehen sind.