DE102006036325A1 - Ultra broad-band dipole antenna, has dielectric rod and reflector, where radiation pattern is formed by rod and reflector, and metallic broadband dipole is inserted into rear end of rod of arbitrary cross section in form-fit manner - Google Patents

Ultra broad-band dipole antenna, has dielectric rod and reflector, where radiation pattern is formed by rod and reflector, and metallic broadband dipole is inserted into rear end of rod of arbitrary cross section in form-fit manner Download PDF

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Abstract

The antenna has a dielectric rod (2) and a reflector, where a radiation pattern is formed by the dielectric rod and the reflector. A metallic broadband dipole (1) is inserted into a rear end of the dielectric rod of arbitrary cross section in a form-fit manner with a relative dielectric constant within the range of 2 to 4. The dipole is arranged before a metallic reflector (3) of arbitrary size and form, where the broadband dipole is fed via a symmetrical parallel line (5).

Description

Die Erfindung betrifft eine ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor.The The invention relates to an ultra broadband dipole antenna with dielectric Rod and reflector.

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.Suitable shaped dipoles are known as ultra wideband antennas. however takes place in these dipoles, the radiation or the reception in the plane perpendicular to the dipole axis uniform in all directions, this but only if it is possible to excite the dipole appropriately. In levels, which include the dipole axis takes place the radiation or the reception preferably perpendicular to the dipole axis, but resulting in ultra-broadbandigem Operation strong variations of the directional behavior over the frequency.

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.radiation or reception in a preferred direction can be achieved if the dipole is mounted in front of a metallic reflector. Thereby become the waves that are radiated towards the reflector or in case of reception, reflect on him, reflected and radiation in the direction away from the reflector or reception from this Direction are thus prevented. However, the overlay leads directly from the Dipole radiated waves and reflected from the reflector waves to an increasing frequency dependence and with ultra-broadband operation, this results in a strong varying directional behavior.

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.dielectric Bars with e.g. circular cylindrical cross section can be used as electromagnetic waveguide be used. At inhomogeneities of the Waveguide such as e.g. Beginning and end are electromagnetic Shafts radiated, resulting in the function of an antenna. One of the key issues is finding a suitable stimulus e.g. through a wideband dipole, realizing a high bandwidth such as e.g. For Ultra broadband communication or sensor systems is needed.

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.at hitherto known dielectric rod antennas, the rod is e.g. inserted at one end into a metallic hollow conduit and the suggestion takes place over a coaxial feed into the hollow line (inner conductor ends e.g. as a monopole in the interior of the hollow conduit, outer conductor ends at hollow conduit wall). As a result, the coaxial shaft is first in a waveguide shaft and then the waveguide shaft into the corresponding shaft on the dielectric Staff converted, The suggestion about a hollow line means that the bandwidth of the resulting Antenna in particular by the bandwidth of the hollow line (especially limited by cut-off) is. An ultra-broadband transmitting and receiving operation is so so far impossible.

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.When An alternative to this was in [5] a direct conversion of a Koaxialleitungswelle proposed in a wave on the dielectric rod, thereby an ultra broadband Operation is possible. However, this is an asymmetrical structure.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine ultra-breitbandige Dipolantenne mit einer Vorzugsstrahlungsrichtung zu schaffen, die durch die Dipolanregung auf ein symmetrisches Strahlungsdiagramm führt.task The present invention is an ultra broadband dipole antenna with a preferential radiation direction created by the dipole excitation leads to a symmetrical radiation pattern.

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.The solution The object is achieved with an antenna according to claim 1 and their further embodiments, as indicated in the subclaims 2 to 5.

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.Of the Wideband dipole is now according to the invention form fit in the end of a dielectric rod used. Due to the jump in the dielectric constant at the rear end of the dielectric rod spreads from the Broadband dipole radiated power mainly in the dielectric Staff out and get on while the spread along the bar gradually transformed into a free space wave and substantially at the front end of the typically tapered Dielectric rod emitted. In combination with a metallic one Reflector, especially effective at the lower frequencies is when the electromagnetic wave is not so good in the dielectric Rod can penetrate, resulting in an antenna with a pronounced preferred radiation direction and extremely big Bandwidth of more than 4 to 1 (ratio of upper cutoff frequency at lower limit frequency). Furthermore a nearly linear phase characteristic is achieved. Because similar Considerations due to reciprocity also apply to the reception case and the losses in both the dipole and in the dielectric of the rod are very small, results together with the very good adaptability a highly efficient ultra-broadband Transmitting and receiving operation via this type of antenna, whose directional diagram is over the entire bandwidth only little changes and the barely disturbing Side lobes, at, based on the wavelength of lowest operating frequency, small dimensions.

Nachfolgend wird die Erfindung unter Bezugnahme auf die 1 im Einzelnen erläutert.Hereinafter, the invention with reference to the 1 explained in detail.

Es zeigt:It shows:

1 den Aufbau einer erfindungsgemäßen Antenne unter Einsatz der vorgeschlagenen Einspeisungsform in Vorderansicht sowie im Querschnitt. 1 the structure of an antenna according to the invention using the proposed feed form in front view and in cross section.

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.A highly conductive broadband dipole ( 1 ) (metallic, eg of copper, measurement or aluminum with a height of about half the free space wavelength at the lowest operating frequency is positively in the end of a dielectric rod ( 2 ) (eg from the materials Teflon, polystyrene or polyvinyl chloride recommended as particularly suitable with a dielectric constant in the range of 2 to 4 and lowest losses), which can taper on the side facing away from the dipole, the dipole ( 1 ) deviating from the usual rotational symmetry is shaped so that the electromagnetic wave as well as possible in the dielectric rod ( 2 ) passes over. Dipole ( 1 ) together with dielectric rod ( 2 ) at a distance of about one-tenth of the free space wavelength of the lowest operating frequency in front of a highly conductive (metallic) reflector ( 3 ), whose diameter should typically be at least a few free space wavelengths of the lowest operating frequency, with dipole ( 1 ) and staff ( 2 ) via a spacer ( 4 ) of a material with a relative dielectric constant of almost 1 (eg of the particularly suitably recommended material Rohazell) on the reflector ( 3 ) can be fixed. The feeding of the dipole ( 1 ) via a symmetrical line ( 5 ), which are designed, for example, as a parallel plate line on a carrier substrate and can be gradually transferred by asymmetrical widening of the two conductors in a microstrip line. The administration ( 5 ) is replaced by a recess in the reflector ( 3 ), which is so large that the line shaft is not unduly influenced, on the back of the reflector ( 3 ) guided.

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.About the with the line ( 5 ) fed dipole ( 1 ) is the over the line ( 5 ) is preferably fed into a wave on the dielectric rod (FIG. 2 ) and finally along the axis of the dielectric rod ( 2 ) away from the reflector ( 3 ). Wave components, especially at lower frequencies in the direction of the reflector ( 3 ) are reflected by this in the area of the main radiation direction. Due to the reciprocity similar considerations apply to the reception case.

Fundstellennachweis:Directory of:

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11
metallischer Dipolmetallic dipole
22
dielektrischer Stabdielectric Rod
33
metallischer Reflektormetallic reflector
44
Abstandshalterspacer
55
Speiseleitungfeeder

Claims (5)

Ultra-breitbandige Dipolantenne mit dielektrischem Stab und Reflektor, gekennzeichnet durch, eine Formung des Richtdiagramms durch den dielektrischen Stab und den Reflektor.Ultra broadband dipole antenna with dielectric Rod and reflector, characterized by, a shaping of the directional diagram through the dielectric rod and the reflector. 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.Device according to claim 1, characterized by a metallic broadband dipole ( 1 ) positively inserted into the rear end of a dielectric rod ( 2 ) of any cross-section with the lowest possible losses and a relative dielectric constant in the range of 2 to 4, arranged in front of a metallic reflector ( 3 ) of any size and shape, wherein the feed of the broadband dipole ( 1 ) by a symmetrical line ( 5 ) he follows. Einrichtung nach Anspruch 1 oder 2, gekennzeichnet durch, einen konisch zulaufenden dielektrischen Stab (2).Device according to claim 1 or 2, characterized by a tapered dielectric rod ( 2 ). 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.Device according to claim 1 or 2, characterized by a symmetrical parallel plate line ( 5 ) on a carrier substrate, which is converted by asymmetrical expansion of the conductor gradually into a microstrip line and through a recess in the reflector ( 3 ) is guided on the back side. 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).Device according to one of claims 1 to 4, characterized by, as lossless spacers ( 4 ) with a relative dielectric constant close to 1 for fixation of the broadband ( 1 ) and the dielectric rod ( 2 ) in front of the reflector ( 3 ).
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