DE102006036325A1 - Ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor - Google Patents

Abstract

Mit der Erfindung wird eine ultra-breitbandige Dipolantenne realisiert, bei der die Welle auf der Speiseleitung weitgehend in eine Welle auf einem dielektrischen Stab umgewandelt wird. Zusammen mit einem Reflektor, der Wellenanteile, die nicht über den dielektrischen Stab geführt werden, reflektiert, entsteht somit eine ultra-breitbandige Antenne mit einer ausgeprägten Richtwirkung, die sich nur wenig über die Frequenz ändert und deren Phasengang nahezu linear verläuft.

Description

• Die Erfindung betrifft eine ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor.
• Geeignet geformte Dipole sind als ultra-breitbandige Antennen bekannt. Jedoch erfolgt bei diesen Dipolen die Abstrahlung oder auch der Empfang in der Ebene senkrecht zur Dipolachse gleichförmig in alle Richtungen, dies jedoch nur, falls es gelingt, den Dipol geeignet anzuregen. In Ebenen, die die Dipolachse beinhalten erfolgt die Abstrahlung oder der Empfang bevorzugt senkrecht zur Dipolachse, jedoch ergeben sich bei ultra-breitbandigem Betrieb starke Variationen des Richtverhaltens über die Frequenz.
• Abstrahlung oder Empfang in einer Vorzugsrichtung kann erreicht werden, wenn der Dipol vor einem metallischen Reflektor angebracht wird. Dadurch werden die Wellen, die in Richtung zum Reflektor abgestrahlt werden oder im Empfangsfall auf ihn einfallen, reflektiert und Abstrahlung in die dem Reflektor abgewandte Richtung oder Empfang aus dieser Richtung werden somit verhindert. Allerdings führt die Überlagerung von direkt vom Dipol abgestrahlten Wellen und von am Reflektor reflektierten Wellen zu einer zunehmenden Frequenzabhängigkeit und bei ultra-breitbandigem Betrieb ergibt sich somit ein stark variierendes Richtverhalten.
• Dielektrische Stäbe mit z.B. kreiszylindrischem Querschnitt können als elektromagnetische Wellenleiter verwendet werden. An Inhomogenitäten des Wellenleiters wie z.B. Anfang und Ende werden elektromagnetische Wellen abgestrahlt, wodurch sich die Funktion einer Antenne ergibt. Eines der wesentlichen Probleme besteht darin, eine geeignete Anregung, z.B. durch einen Breitbanddipol, zu realisieren, die eine hohe Bandbreite aufweist, wie sie z.B. für ultra-breitbandige Kommunikations- oder Sensorsysteme benötigt wird.
• Bei bisher bekannten dielektrischen Stabantennen wird der Stab z.B. an einem Ende in eine metallische Hohlleitung eingeführt und die Anregung erfolgt über eine Koaxialeinspeisung in die Hohlleitung (Innenleiter endet z.B. als Monopol im Innern der Hohlleitung, Außenleiter endet an Hohlleitungswand). Dadurch wird die Koaxialwelle zuerst in eine Hohlleitungswelle und dann die Hohlleitungswelle in die entsprechende Welle auf dem dielektrischen Stab umgewandelt, Die Anregung über eine Hohlleitung bedeutet, dass die Bandbreite der resultierenden Antenne insbesondere durch die Bandbreite der Hohlleitung (vor allem nach unten durch Cut-off) beschränkt ist. Ein ultra-breitbandiger Sende- und Empfangsbetrieb ist damit bisher unmöglich.
• Als Alternative hierzu wurde in [5] eine direkte Umwandlung einer Koaxialleitungswelle in eine Welle auf dem dielektrischen Stab vorgeschlagen, wodurch ein ultra-breitbandiger Betrieb ermöglicht wird. Jedoch handelt es sich dabei um einen unsymmetrischen Aufbau.
• Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ultra-breitbandige Dipolantenne mit einer Vorzugsstrahlungsrichtung zu schaffen, die durch die Dipolanregung auf ein symmetrisches Strahlungsdiagramm führt.
• Die Lösung der Aufgabe gelingt mit einer Antenne nach Anspruch 1 und ihrer weiteren Ausbildungen, wie sie in den Unteransprüchen 2 bis 5 angegeben sind.
• Der Breitbanddipol wird nun erfindungsgemäß formschlüssig in das Ende eines dielektrischen Stabes eingesetzt. Aufgrund des Sprunges in der Dielektrizitätskonstante am hinteren Ende des dielektrischen Stabes breitet sich die vom Breitbanddipol abgestrahlte Leistung hauptsächlich in den dielektrischen Stab aus und wird während der Ausbreitung entlang des Stabes allmählich in eine Freiraumwelle umgewandelt und im wesentlichen am vorderen Ende des sich typischerweise verjüngenden dielektrischen Stabes abgestrahlt. In Kombination mit einem metallischen Reflektor, der vor allem bei den niedrigeren Frequenzen wirksam ist, wenn die elektromagnetische Welle nicht so gut in den dielektrischen Stab eindringen kann, ergibt sich eine Antenne mit einer ausgeprägten Vorzugsstrahlungsrichtung und extrem großer Bandbreite von mehr als 4 zu 1 (Verhältnis von oberer Grenzfrequenz zu unterer Grenzfrequenz). Außerdem wird ein nahezu linearer Phasenverlauf erreicht. Da ähnliche Betrachtungen aufgrund der Reziprozität auch für den Empfangsfall gelten und die Verluste sowohl im Dipol als auch im Dielektrikum des Stabes sehr gering sind, ergibt sich zusammen mit der sehr guten Anpassbarkeit ein hocheffizienter ultra-breitbandiger Sende- und Empfangsbetrieb über diesen Antennentyp, dessen Richtdiagramm sich über die gesamte Bandbreite nur wenig ändert und der kaum störende Nebenkeulen aufweist, bei, bezogen auf die Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz, kleinen Abmessungen.
• Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 im Einzelnen erläutert.
• Es zeigt:
• 1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antenne unter Einsatz der vorgeschlagenen Einspeisungsform in Vorderansicht sowie im Querschnitt.
• Ein möglichst gut leitender Breitbanddipol (1) (metallisch, z.B. aus Kupfer, Messung oder Aluminium) mit einer Höhe von etwa der halben Freiraumwellenlänge bei der niedrigsten Betriebsfrequenz ist formschlüssig in das Ende eines dielektrischen Stabes (2) (z.B. aus den als besonders geeignet empfohlenen Werkstoffen Teflon, Polystyrol oder Polyvinylchlorid mit einer Dielektrizitätskonstante im Bereich von 2 bis 4 und geringsten Verlusten), der an der Dipol abgewandten Seite konisch zulaufen kann, eingesetzt, wobei der Dipol (1) abweichend von der üblichen Rotationssymmetrie so geformt ist, dass die elektromagnetische Welle möglichst gut in den dielektrischen Stab (2) übergeht. Dipol (1) zusammen mit dielektrischem Stab (2) werden in einem Abstand von etwa eines Zehntels der Freiraumwellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz vor einem möglichst gut leitenden (metallischen) Reflektor (3), dessen Durchmesser typischerweise mindestens einige Freiraumwellenlängen der niedrigsten Betriebsfrequenz betragen soll, angebracht, wobei Dipol (1) und Stab (2) über einen Abstandshalter (4) aus einem Material mit einer relativen Dielektrizitätskonstante von nahezu 1 (z.B. aus dem besonders geeignet empfohlenen Werkstoff Rohazell) am Reflektor (3) fixiert werden können. Die Speisung des Dipols (1) erfolgt über eine symmetrische Leitung (5), die z.B. als eine Parallelplattenleitung auf einem Trägersubstrat ausgelegt werden und durch unsymmetrische Aufweitung der beiden Leiter allmählich in eine Mikrostreifenleitung überführt werden kann. Die Leitung (5) wird durch eine Aussparung im Reflektor(3), die so groß ist, dass die Leitungswelle nicht unzulässig beeinflusst wird, auf die Rückseite des Reflektors (3) geführt.
• Über den mit der Leitung (5) gespeisten Dipol (1) wird die über die Leitung (5) zugeführte elektromagnetische Leitungswelle vorzugsweise in eine Welle auf dem dielektrischen Stab (2) umgewandelt und schließlich entlang der Achse des dielektrischen Stabes (2) weg vom Reflektor (3) abgestrahlt. Wellenanteile, die vor allem bei niedrigeren Frequenzen in Richtung des Reflektors (3) abgestrahlt werden, werden von diesem in den Bereich der Hauptstrahlrichtung reflektiert. Aufgrund der Reziprozität gelten für den Empfangsfall ähnliche Überlegungen.
• Fundstellennachweis:
• [1] Stutzman, W.L., Thiele, G.A.: Antenna Theory and Design, 2nd Ed., Wiley, New York, 1998.
• [2] Kraus, J.D., Marhefka, R.J.: Antennas, Third Ed., McGraw Hill, New York, 2002.
• [3] Kühn, R.: Mikrowellenantennen, VEB Verlag Technik, Berlin, 1964.
• [4] Schantz, H.: The Art and Science of Ultrawideband Antennas, Artech House, Norwood, 2005.
• [5] Eibert, T.: Ultra-breitbandige dielektrische Stabantenne mit Anregung über eine Koaxialleitung, Patentanmeldung durch BWB, Aktenzeichen 10 2006 007 928.0 .

1

metallischer Dipol

2

dielektrischer Stab

3

metallischer Reflektor

4

Abstandshalter

5

Speiseleitung

Claims (5)

1. Ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor, gekennzeichnet durch, eine Formung des Richtdiagramms durch den dielektrischen Stab und den Reflektor.
2. Einrichtung nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch, einen metallischen Breitbanddipol (1) formschlüssig eingesetzt in das hintere Ende eines dielektrischen Stabes (2) beliebigen Querschnitts mit möglichst geringen Verlusten und einer relativen Dielektrizitätskonstante im Bereich von 2 bis 4, angeordnet vor einem metallischen Reflektor (3) beliebiger Größe und Form, wobei die Speisung des Breitbanddipols (1) durch eine symmetrische Leitung (5) erfolgt.
3. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, einen konisch zulaufenden dielektrischen Stab (2).
4. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, eine symmetrische Parallelplattenleitung (5) auf einem Trägersubstrat, die durch unsymmetrische Aufweitung der Leiter allmählich in eine Mikrostreifenleitung überführt und durch eine Aussparung im Reflektor (3) auf dessen Rückseite geführt wird.
5. Einrichtung nach einem der Ansprüche 1 bis 4, gekennzeichnet durch, möglichst verlustfreien Abstandshalter (4) mit einer relativen Dielektrizitätskonstante nahe 1 zur Fixierung des Breitbandipols (1) und des dielektrischen Stabes (2) vor dem Reflektor (3).