Richtantennenanordnung Die vorliegende Erfindung betrifft eine Richt- antennenanordnung.
Man hat sich schon früher bemüht, Antennen anlagen mit hoher Richtwirkung oder hohem Bün- delungsvermögen zu schaffen, bei denen der Strahl öffnungswinkel kleiner als ungefähr 1 ist. Bei sol chen Anlagen verwendet man gewöhnlich einen ge trennten Reflektor, um das gewünschte Vertikal diagramm zu erzeugen, welches gewöhnlich nach einer Cosekans-Funktion verläuft. Die Vorteile der Kombination einer Antennenanlage und eines Re flektors gegenüber der Kombination einer Antenne und eines Reflektors unter Verwendung einer ein zigen Speisezuführung bestehen darin, dass eine ge trennte Steuerung bzw.
Beeinflussung des Azimut- und des Elevations-Diagrammes möglich ist. Der Reflektor kann aus einem einfachen zylindrisch ge bogenen Organ bestehen, so dass sich die Polarisa tion besser festlegen lässt. Diesen Vorteilen steht ein Hauptnachteil gegenüber, der darin besteht, dass das Speisesystem für die Antennenanlage komplizierter ausfällt.
Zur Schaffung einer linearen Antennenanlage wurde bereits vorgeschlagen, eine an einem Ende gespeiste Wellenführung oder Koaxialleitung, die mit Schlitzen und/oder Dipolen versehen ist, oder ein sog. Sektor-Horn zu verwenden. Bei der Spei sung von nur einem Ende aus wird der Strahl in Ab hängigkeit der Frequenz verschoben. Zwischen be nachbarten Schlitzen ist eine gegenseitige Impedanz vorhanden, und es wird eine grosse Anzahl Schlitze benötigt. Das Sektor-Horn ist wegen der Grösse und des Gewichtes zu beanstanden.
Ein Zweck der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines Längsstrahlers, der sich leicht für die Verwendung in linearen Antennenanlagen ausbilden lässt, einfach im Aufbau, von geringem Gewicht und verhältnismässig billig ist.
Ein weiterer Zweck besteht in der Schaffung einer Antennenreihe für vertikale oder horizontale Polarisation sowie eines Speisesystems bzw. eines Leistungsverteilers für eine solche Antennenreihe.
Die erfindungsgemässe Richtantennenanordnung, welche einen flächenförmigen Leiter; einen Haupt leitungsleiter, eine Anzahl Zweigleitungsleiter und dielektrische Mittel aufweist, durch welche die ge nannte Hauptleitung und die genannten Zweig leitungen bezüglich des genannten flächenförmigen Leiters zwecks Übertragung von Mikrowellen in praktisch paralleler Lage gehalten werden, ist da durch gekennzeichnet, dass Strahler vorgesehen sind, welche eine Verlängerung der Zweigleiter aufweisen, wobei die genannten Verlängerungen nach aussen erweitert sind und bezüglich der Ebene des flächen- förmigen Leiters einen Winkel bilden,
und dass ferner eine Kopplungsvorrichtung zur Kopplung der Hauptleitung mit den Zweigleitungen vorhanden ist, welche einen Impedanztransformationsabschnitt ent hält.
Wenn als Speiseleitungen rechteckförmige Wellenführungen verwendet werden, ist die Lei stungsaufteilung verhältnismässig einfach, während die Phasensteuerung schwierig ist, da zwei Dimen sionen, nämlich die Länge und Breite, beeinflusst werden müssen.
Bei Verwendung von Koaxialleitun- gen ist nur die Länge zu beeinflussen, aber es erge ben sich Schwierigkeiten bei der Halterung des Innenleiters bei Frequenzen über 3000 MHz. Bei: der Erfindung sind diese Schwierigkeiten durch Verwendung eines Bandleitungs-Leistungsverteilers überwunden, welcher eine Leistungsaufteilung im Mikrowellengebiet vornimmt. Bei einem solchen Verteiler kann man die Phase der HF-Schwingungen in den verschiedenen Zweigen durch richtige Be messung der Breite des Leitungsleiters der Band leitung und der relativen Länge der Zweige steuern.
Nachstehend werden mehrere Ausführungsbei spiele des Erfindungsgegenstandes unter Bezug nahme auf die Zeichnung näher beschrieben.
In der Zeichnung zeigt: die Fig. 1 einen Grundriss eines Längsstrahlers, der bei den Ausführungsbeispielen verwendet wird, die Fig. 2 einen längs der Linie 2-2 der Fig. 1 geführten Schnitt, die Fig. 3 das in der Horizontalebene erzeugte Strahlungsdiagramm der Antenne nach den Fig. 1 und 2, die Fig. 4 im Grundriss eine lineare Antennen anordnung mit den zugehörigen Speiseleitungen, die ein Ausführungsbeispiel der Erfindung darstellt, die Fig. 5 einen längs der Linie 5-5 der Fig. 4 geführten Schnitt,
die Fig. 6 den Grundriss einer Antennenanord nung, bei welcher die Längsstrahler für eine hori zontal polarisierte Strahlung angeordnet sind (2. Ausführungsbeispiel, die Fig. 7 einen längs der Linie 7-7 der Fig. 6 geführten Schnitt, die Fig. 8 den Grundriss einer andern linearen Anordnung mit Speiseleitungen (3.
Ausführungs beispiel), die Fig. 9 einen längs der Linie 9-9 der Fig. 8 geführten Schnitt, die Fig. 10 im Grundriss ein Speisesystem für drei Strahler, die Fig. 11 eine von der Linie 11-11 der Fig. 10 betrachtete Seitenansicht und die Fig. 12 den Grundriss eines weiteren Aus führungsbeispiels einer linearen Anordnung, welcher so ausgebildet ist, dass die Strahlerreflexionen einen Minimalwert haben.
In der Fig. 1 und 2 weist die Bandleitung, die als Längsstrahler mit Speiseleiter verwendet wird, einen ersten flachen Leiter 1 und einen zweiten sog. Leitungsleiter 2 auf, die durch einen dünnen Streifen aus dielektrischem Material 3 voneinander getrennt sind. Die beiden Leiter 1 und 2 sind vor zugsweise flache Streifen, wobei der Leiter 1 breiter als der Leiter 2 ist, so d'ass längs dieser Leiter Mikro wellenenergie nach einer der TEM-Art ähnlichen Schwingungsart übertragen werden kann. Falls er wünscht, kann der Leitungsleiter 2 rund sein oder auch andere Form aufweisen. Die wichtigen Ab messungen sind die Breite des Leiters 2 und die Dicke des Dielektrikums 3.
Das Dielektrikum kann aus Polystyrol, Polyäthylen, Teflon (eingetragene Marke), Fiberglas, mit Teflon imprägniertem und geschichtetem Fiberglas, Quarz oder aus sonst einem Material hoher dielektrischer Güte bestehen.
Die Übertragungsleitung 1, 2 kann aus band- oder strei- fenförmigen Leitern bestehen oder gemäss der Technik der gedruckten Schaltungen hergestellt sein. Weitere Angaben über die Eigenschaften der vor stehend erwähnten Leitung können den Schweizer Patenten Nrn. 307826 und 317717 entnommen werden.
Das Vorderende des Leiters 2 ist nach aussen gebogen, wie dies durch den Teil 4 zum Ausdruck kommt, welcher bezüglich des flächenhaften Leiters 1 einen gewünschten Winkel a bildet. Dadurch ent steht ein hornförmiger Strahler mit offenen Seiten wänden, wobei die üblicherweise vorhandenen verti kalen Seitenwände nicht benötigt werden. Das Di- elektrikum 3 erstreckt sich bis zum Ende des Leiters 1 und könnte, falls erwünscht, schon an der Knick stelle 5 aufhören und dabei gleichmässig auslaufen. Der Leiter 1 weist am gleichen Ende einen recht winklig abgebogenen Teil 6 auf, welcher eine Hoch frequenzfalle darstellt, deren Länge 1/4 Wellenlänge beträgt und das Entstehen von Strömen auf der Unterseite des flächenhaften Leiters 1 verhindert.
Die Fig. 3 zeigt das Horizontaldiagramm 7, welches mit dem Längsrichtstrahler gemäss den Fig. 1 und 2 erzielt wird. Der Hauptlappen zeigt die Richtung, in welcher die Antenne wirkt. Die Frequenz, mit welcher das dargestellte Diagramm erzielt wurde, betrug 9400 MHz. Die verwendete Hornkonstruktion hatte die folgenden Abmessungen: Die Breite des Leitungsleiters 2 betrug etwa 6,3 mm (1/4"), die Höhe H am Ende des nach aussen gebo genen Teils 4 betrug 44,4 mm (1und die Länge des Teils 4 betrug 50,8 mm (2"). Das Dielektrikum 3 war etwa 3 mm (1/8 ") dick und bestand aus Fiber glas.
Die in den Fig. 4 und 5 gezeigte Anordnung be steht aus einer Anzahl einzelner hornähnlicher Strahler von der in den Fig. 1 und 2 gezeigten Art. Es sind vier solche Strahler 8, 9, 10 und 11 dar gestellt. Selbstverständlich können je nach Bestim mung eine grössere oder kleinere Anzahl einzelner Strahler verwendet werden. Jeder Strahler weist einen ausgeweiteten Teil 4 auf, welcher mit der Ebene des Leiters 2 einen geeigneten Winkel bildet. Der flächenförmige Leiter 1 ist so erweitert, dass er in den Fig. 4 und 5 die ganze untere Platte 12 eines aus zwei parallelen Platten bestehenden Systems bildet, dessen obere Platte mit 13 bezeichnet ist.
Die parallelen Platten 12 und 13 weisen an ihren Enden die nach aussen abgewinkelten Teile 14 und 15 auf, welche als Hornstrahler wirken. Diese Platten brau chen auf den Seitenwänden nicht geschlossen zu sein, obwohl sie im vorliegenden Ausführungsbei spiel durch die Seitenwände 16 und 17 geschlossen sind. Die erweiterten Teile 4 der Strahler weisen von der obern Wand 13 einen Abstand auf und bil den tatsächlich übertragungsvorrichtungen zur Aus sendung öder für den Empfang von Energie zwi schen dem durch die Bandleitung gebildeten Speise leitungsnetzwerk und der aus den parallelen Platten 12, 13 gebildeten Wellenführung.
Da die Strahler 8-11 zwischen den Platten 12 und 13 angeordnet sind, besteht keine Notwendigkeit, eine Falle 6 ge- mäss Fig. 2 vorzusehen, da die nach aussen abgewin kelten Teile 14 und 15 als Strahleroberfläche wirken.
Das Speiseleitungssystem für die Anordnung gemäss den Fig. 4 und 5 weist eine Hauptwellen führung 20 der Bandleitungsart auf, welche einen flächenhaften Leiter 21 und einen Leitungsleiter 22 aufweist, welche Leiter durch eine Schicht aus di- elektrischem Material 23 getrennt sind. Zur Auf teilung der Leistung ist der Leiter 21 seitwärts er weitert, wie dies mit 24 angegeben ist, und er kann die gleiche Breite aufweisen, wie die Platte 12. Der Leitungsleiter 22 ist in mehrere einzelne Leiter für die Strahler 8-11 aufgeteilt.
Die erste Aufteilung der Leistung im gewünschten Verhältnis wird durch den Impedanztransformationsabschnitt 25 erzielt, in welchem der Leitungsleiter 22 die Breite ändert, be vor er in die beiden getrennten Zweigspeiseleiter 26 und 27 aufgeteilt wird. Der Transformations- abschnitt weist einen sich erweiternden Teil 25a mit der Länge a und einen zweiten Teil 25b mit der Länge b auf, dessen Impedanz gleich den beiden Belastungsimpedanzen der Zweige 26 und 27 in Parallelschaltung ist.
Die Länge a des erweiterten Teils ist grösser als die Halbwellenlänge in der Wellenführung, so dass ein allmählicher übergang zwischen dem niederohmigen Teil 25b und der höheren Impedanz der Eingangsleitung 22 entsteht. Der Zweig 26 weist einen Transformationsabschnitt 28 auf, um die zwei weiteren Zweige 29 und 30 an zukoppeln, welche die Strahler 8 und 9 speisen. Der Zweig 27 weist ebenfalls einen Transformations- abschnitt 31 auf, an welchem die Zweige 32 und 33 angekoppelt sind, welche die Strahler 10 und 11 speisen.
Reflexionen von den Verbindungsstellen der Zweige werden dadurch auf einen Minimalwert herabgedrückt, dass man die Leitungslänge bis zu den Verbindungsstellen um 1/.1 Wellenlänge verschie den lang macht, und zwar bei der mittleren Betriebs frequenz. So weist beispielsweise der zum Transfor- mationsabschnitt 28 führende Zweig 26 eine Länge c auf, während die entsprechende Länge des Zweiges 27 den Wert<I>c</I> -f- 2,,/4 aufweist.
In gleicher Weise werden die Zweige 29 und 30, die vom Transforma- tionsabschnitt 28 zu den Strahlern 8 und 9 führen, eine Länge von d + 2/4 aufweisen, während die entsprechende Länge der Zweige 32 und 33 den Wert d aufweisen. Indem man die verschiedenen Längen im Speiseleitungsnetzwerk in der erwähnten Art wählt, erhält man an den Strahlern 8-11 die gleiche Phase.
In den Fig. 4 und 5 sind die Strahler horn- förmig ausgebildet. Es ist jedoch leicht ersichtlich, dass anstelle dieser Strahler beispielsweise Dipol- Strahler oder Strahler mit Schlitzen verwendet wer den könnten.
Mit der in der Fig. 4 und 5 dargestellten Strah- leranordnung entsteht ein vertikal polarisierter Strahl. Die Fig. 6 und 7 zeigen eine andere Anord- nung mit der gleichen Art von Strahlern, welche je doch um 90 zwischen den parallelen Platten 12a und 13a gedreht sind, so dass die zwischen diesen parallelen Platten ausgesandte Strahlung horizontal polarisiert ist.
Jeder der Strahler 34 und 35 ist mit einer Bandleitungswellenführung versehen, welche aus einem flächenförmigen Leiter 36 und einem Leitungsleiter 37 besteht, welche durch eine Schicht 38 aus dielektrischem Material getrennt sind. Die flächenförmigen Leiter 36 der beiden Speiseleiter weisen eine Breite auf, die gleich dem Abstand zwischen den Platten 12a und 13a ist. Da die Platten 12a und 13a durch das Speiseleitungssystem hinreichend gehaltert sind, brauchen keine Seiten wände vorgesehen zu werden, wie sie in den Fig. 4 und 5 angegeben sind. Falls erwünscht, können solche Seitenwände vorgesehen werden. Selbstver ständlich können auch mehr als zwei Strahler 34 und 35 vorhanden sein.
Die Energieaufteilung er folgt gleich wie beim Ausführungsbeispiel gemäss den Fig. 4 und 5.
Die Fig. 8 und 9 zeigen eine weitere Anordnung, bei welcher die erweiterten Strahlerteile 39, 40, 41 und 42 so verlängert sind, dass sie in die benachbar ten Strahler übergehen und zusammen die vordere und obere Platte 43 des Schlitzstrahlers bilden. Die untere Platte 44 ist eine Verlängerung des Grund leiters 45, welcher auf der Unterseite des Speise leitungssystems liegt, welches mit den Strahlerteilen 39-42 verbunden ist. Die Leistungsaufteilung im Speiseleitungsnetzwerk erfolgt mit Hilfe von gebo genen Verbindungsstücken, welche Transformations- abschnitte enthalten, von denen einer mit 46 be zeichnet ist.
Die Breite des Hauptleitungsleiters 47 nimmt über den Abschnitt 46 allmählich auf die grössere Breite zu, welche der geringeren Impedanz der beiden parallel geschalteten Zweige 48 und 49 entspricht. Der Transformationsabschnitt 46 weist eine Länge e auf, welche vorzugsweise länger als 2,/2 ist. Der Verbindungsabschnitt 50, welcher den Zweig 48 mit den Zweigen 51 und 52 koppelt, welche die Strahler 39 und 40 speisen, ist dem Ver bindungsabschnitt 46 ähnlich. Die Zweige 53 und 54 sind ebenfalls über einen Transformations- abschnitt 55 mit dem Zweig 49 gekoppelt.
Die Krümmungen für die Zweige 48, 49 und 51-54 und der entsprechenden Kopplungsabschnitte sind so gewählt, dass an diesen Krümmungen bei Fre quenzen von<B>6000-12000</B> MHz und mehr keine Strahlungsverluste entstehen. Mit andern Worten ausgedrückt, wird in den Fällen wo 1W in der Grössenordnung von 1/10 liegt, wo h die Dicke des dielektrischen Abstandsmaterials zwischen den Leitern ist, der gebogenen Form gemäss Fig. 8 der Vorzug gegeben. Für tiefere Frequenzen im Be reich von etwa 3000-6000 MHz kann das Speise netzwerk die in der Fig. 4 dargestellte Form auf weisen, ohne dass dabei nennenswerte Strahlungs verluste entstehen.
Mit andern Worten, die in der Fig. 4 dargestellte Form ist für die Fälle zufrieden stellend, wo h/2 in der Grössenordnung von ungefähr 1/30 liegt. Um Reflexionen an den Verbindungsstel len auf einem möglichst geringen Wert zu halten, weisen die zwei Zweigleitungen verschiedene Längen auf. So ist die Zweigleitung 48 um 2,/4 länger als die Zweigleitung 49, und die Zweige 53 und 54 sind um @/4 länger als die Zweige 51 und 52.
Die Fig. 10 und 11 zeigen, wie eine Verbin- dungs- bzw. Kopplungsstelle für drei oder mehr Zweige ausgebildet werden kann. Es gelangt ein gleicher Transformationsabschnitt 56 wie in der Fig. 4 zur Verwendung. Allerdings könnte anstelle dieses Abschnittes einer der Transformations- abschnitte gemäss Fig. 8, das heisst ein Abschnitt mit gebogener Leitungsführung, verwendet werden. Der niederohmige Abschnitt der Verbindungsstelle ist in drei Zweige 57, 58 und 59 aufgeteilt.
Damit diese drei Zweige eine Reihe von Strahlern in linearer Anordnung speisen können, muss der Länge der Zweige besondere Beachtung geschenkt werden. Der mittlere Zweig 58 ist dementsprechend genügend aufgebogen, däss die drei Zweige gleich lang werden, so dass die Phasen an den durch die drei Zweige ge speisten Strahlern genau gleich sind. Der aufgebo gene Mittelzweig 58 ist besser aus der Fig. 11 er sichtlich.
Wenn eine lineare Anordnung von Strahlern phasengleich gespeist wird, so sind die Reflexionen der Strahler ebenfalls in Phase und lassen sich da durch vermindern, dass man den Zweigleitungen des Speisenetzwerkes verschiedene Längen gibt. Die Re flexionen lassen sich weiter vermindern, indem man die Längen der Speiseleitungsabschnitte, die den Strahlern unmittelbar benachbart sind, verschieden macht.
Die Fig. 12 zeigt eine solche Speiseanordnung, bei welcher eine Reihe von schematisch dargestellten Strahlern mit 61, 62, 63, 64 und 65 bezeichnet ist, die zwischen parallelen Platten angeordnet sind, wie dies bei 66 gezeigt ist. Die Strahler sind wie in den vorangehenden Beispielen erweitert, und die erwei terten Verlängerungen der Strahler schneiden die Platte 66 längs der Linie 69. Unter der Annahme, dass die Speiseleitungen für die Strahler 61-65 mit einer Phasenfront gespeist werden, wie sie durch die Linie 67 angedeutet ist, erkennt man, dass die Länge der Speiseleitungen von der Phasenfront 67 zu den verschiedenen Strahlern 61-65 verschieden ist. Die Strahler 6l-65 liegen auf einer Geraden, die mit der Linie der Phasenfront 67 einen Winkel 0 bildet.
Die strahlende Kante 68 der parallelen Platten bildet einen Winkel ,B mit der Wellenfront 67. Wenn das Verhältnis A"/d, (wo #o die Wellenlänge in Luft und 2.9 die Wellenlänge in der Wellenführung ist) nicht mit der Frequenz ändert, tritt der Strahl senkrecht zur Ebene der strahlenden Kante 68 aus. Der Win kel 0 ist so gewählt, dass sin <I>0</I> @_ A/2D ist, wo<I>D</I> gleich der öffnun'gsweite zwischen den parallelen Platten und der Winkel ,B so gewählt ist, dass so
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