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Die Erfindung bezieht sich auf eine Hornantenne zum Senden und zum Empfangen von elektromagnetischen Wellen im Frequenzbereich von z. B. ungefähr 1 GHz bis ungefähr 18 GHz.
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Die
US 6,995,728 B2 beschreibt eine Hornantenne mit einem pyramidenförmigen Horntrichter und einem Steg. Die Hornantenne umfasst eine erste und eine zweite leitende Wand, welche unter Ausbildung eines Winkels relativ zueinander angeordnet sind. Ferner weist die Hornantenne in der Nähe der ersten leitenden Wand einen ersten Steg und in der Nähe der zweiten leitenden Wand einen zweiten Steg auf, wobei der erste Steg sich über das abgewandte Ende der ersten Wand und der zweite Steg sich über das abgewandte Ende der zweiten Wand erstreckt. Die Krümmung des ersten Stegs entspricht einem Bogen, welcher eine Linie tangiert, welche senkrecht auf der Oberfläche der ersten Wand steht.
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Aus dem Dokument Liu Wei; Xi XiaoLi; Design and Simulation of TEM Double Ridge Guide Horn Antenna, 8th International Conference an Electronic Measurement and Instruments, 2007, Aug. 16 2007-July 18 2007, Seiten 1-703–1-706, ist eine ähnliche Antenne bekannt. Diese Antenne weist einen aus mehreren Seitenwänden aufgebauten Horntrichter mit zwei Finnen auf, die sich in das Innere des Horntrichters erstrecken.
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Der Nachteil der in der
US 6,995,728 B2 beschriebenen Hornantenne liegt darin, dass der Antennengewinn, insbesondere bei tiefen Frequenzen, starken Schwankungen unterliegt. Ferner sinkt der Antennengewinn bei tiefen Frequenzen, wie beispielsweise bei Frequenzen um 1 GHz auf unter 0 dBi.
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Ein weiterer Nachteil dieser Hornantenne besteht darin, dass das VSWR im unteren Frequenzbereich mit Werten zwischen 2 und 5 sehr ungünstig ist, da ab einem VSWR von ungefahr 3 die Hornantenne kaum betreibbar ist.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zu Grunde eine Antenne anzugeben, die bei tiefen Frequenzen einen guten Antennengewinn ohne Schwankungen aufweist und die auch im unteren Frequenzbereich ein geringeres VSWR aufweist.
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Die genannte Aufgabe wird erfindungsgemäß gelöst durch die Merkmale des Oberbegriffs des Anspruchs 1 in Kombination mit den kennzeichnenden Merkmalen. Vorteilhafte Weiterbildungen sind Gegenstand der hierauf rückbezogen Unteransprüche.
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So umfasst die erfindungsgemäße Antenne für einen Sendebetrieb und/oder einen Empfangsbetrieb eine Einkoppeleinrichtung und/oder eine Auskoppeleinrichtung für elektromagnetische Wellen. Um die Einkoppeleinrichtung bzw. um die Auskoppeleinrichtung ist ein Horntrichter vorgesehen, der zumindest aus zwei Seitenwänden aufgebaut ist und der zumindest zwei Finnen umfasst, wobei die Einkoppeleinrichtung und/oder die Auskoppeleinrichtung vorzugsweise an einem schmalen Ende des Horntrichters vorgesehen ist. Die Finnen der erfindungsgemäßen Antenne sind im Wesentlichen innerhalb des Horntrichters angeordnet, wobei die zumindest zwei Seitenwände zwei jeweils vorzugsweise trapezförmige Freischnitte aufweisen.
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Ein Vorteil besteht insbesondere darin, dass die beiden Freischnitte deckungsgleich sind, was den Fertigungsaufwand bei der Herstellung der eingeschnittenen Seitenwände reduziert.
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Außerdem weisen beide Seitenwände bevorzugt die gleichen Toleranzen auf, so dass sich in der Abstrahlcharakteristik der erfindungsgemäßen Antenne keine Asymmetrien aufgrund unterschiedlicher Toleranzen des Antennenmaterials ergeben.
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Des Weiteren ist es vorteilhaft, dass die beiden Freischnitte im Wesentlichen symmetrisch zueinander angeordnet sind, was sich wiederum günstig auf eine moglichst symmetrische Abstrahlcharakteristik der erfindungsgemäßen Antenne auswirkt.
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Ferner ist es vorteilhaft, wenn jeder trapezförmige Freischnitt jeweils eine longitudinale Symmetrieachse aufweist. Dadurch sind die Seitenwände mit dem Freischnitt leichter zu positionieren, da diese longitudinale Symmetrieachse einfach und mit hoher Genauigkeit mit einem bestimmten Winkel zur Einkoppel bzw. Auskoppeleinrichtung auszurichten ist.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn jeweils eine Richtungskomponente jeweils einer Finne parallel zu der longitudinalen Symmetrieachse orientiert ist. Dadurch ist eine genaue Justierung der Finnen relativ zur Einkoppel- bzw. Auskoppeleinrichtung sichergestellt.
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Außerdem ist es von Vorteil, wenn die zwei Finnen der erfindungsgemäßen Antenne symmetrisch im Horntrichter angeordnet sind und sich durch den Freischnitt erstrecken, so dass jeweils ein erster, flächenmäßig kleinerer Teil der beiden Finnen jeweils über die Seitenwand, die den Horntrichter bildet, hinausragt.
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Vorteilhafterweise ragt jeweils ein zweiter, flächenmäßig größerer Teil der beiden Finnen jeweils in den Horntrichter hinein, so dass innerhalb des Horntrichters auch elektromagnetische Wellen mit hoher Frequenz geleitet werden können, da sich bei einer Anregung mit hoher Frequenz das elektrische Feld vor allem zwischen den beiden Finnen ausbildet.
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Ein weiterer Vorteil besteht, wenn beide Finnen jeweils ein abgerundetes Ende in Richtung einer breiten Öffnung des Horntrichters aufweisen, so dass die Randbedingungen für den Verlauf der Felder stetig sind.
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Außerdem ist es von Vorteil, dass das Strahlungsdiagramm der erfindungsgemäßen Antenne keinen Einbruch aufweist. Dadurch ist eine gleichmäßige Ausleuchtung eines Prüflings bei einer Verwendung der erfindungsgemäßen Antenne, beispielsweise als Messantenne in einem EMV-Labor, gewährleistet.
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Zudem ist es von Vorteil, wenn der Verlauf des Antennengewinns in Abhängigkeit von der Frequenz relativ glatt ist. Dadurch kann der Anwender der erfindungsgemäßen Antenne die Feldstärken leichter abschätzen bzw. berechnen.
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Ausfuhrungsbeispiele der vorliegenden erfindungsgemäßen Antenne werden nachfolgend beschrieben. Sowohl die Struktur als auch die Betriebsweise der Hornantenne sowie deren weitere Vorteile sind am besten anhand der folgenden Beschreibung in Verbindung mit der dazugehörigen Zeichnung verständlich. In der Zeichnung zeigen:
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1 eine perspektivische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne von oben;
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2 eine vordere Ansicht auf das Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne mit den bevorzugten Abmessungen;
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3 eine Seitenansicht einer Finne des Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne und die wesentlichen bevorzugten Abmessungen;
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4 eine Draufsicht einer Seitenwand der erfindungsgemäßen Antenne mit einem Freischnitt und die bevorzugten Abmessungen;
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5 einen in 4 mit V markierten Bereich in vergrößerter Darstellung;
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6 eine Antenne gemäß dem Stand der Technik ohne Freischnitt;
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7 eine perspektivische Frontalansicht eines zweiten Ausfuhrungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne;
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8a einen Verlauf des Antennengewinns in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz für eine herkömmliche Antenne;
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8b einen Verlauf des Antennengewinns in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne;
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9a einen Verlauf des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, Spannungsstehwellenverhältnis) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz für eine herkömmliche Antenne;
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9b einen Verlauf des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, Spannungsstehwellenverhältnis) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne;
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10a ein Strahlungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Antenne bei einer Frequenz von 14,03 GHz und
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10b ein Strahlungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Antenne bei einer Frequenz von 17,526 GHz.
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Einander entsprechende Teile sind in allen Figuren mit den gleichen Bezugszeichen versehen.
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1 zeigt eine perspektivische Seitenansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne 1 von oben. Der Horntrichter 4 der erfindungsgemäßen Antenne 1 besteht aus vier Seitenwänden 3a, 3b, 3c, 3d, wobei zwei gegenüber liegende Seitenwände 3a, 3b jeweils einen Freischnitt 7a, 7b aufweisen, durch welchen sich jeweils eine der beiden Finnen 5a, 5b erstreckt. Am schmalen Ende 6 des Horntrichters 4, welcher vor allem als Reflektor bei tieferen Frequenzen dimensioniert ist, ist die Auskoppel- bzw. die Einkoppeleinrichtung 2a, 2b angeordnet, wobei die Seitenwande 3a, 3b, 3c, 3d über einen Falz 17 mit mehreren Schrauben 18 oder Nieten daran befestigt sind. Die Auskoppeleinrichtung 2a und die Einkoppeleinrichtung 2b ist in diesem ersten Ausführungsbeispiel in einem Gesamtgehäuse 2 integriert. An einer Seitenwand der Auskoppel- bzw. Einkoppeleinrichtung 2a, 2b ist ein Flansch 19 mit einem Koaxialstecker 20 vorzugsweise mit Schrauben 18 befestigt. Dieser Koaxialstecker 20 dient zur Einspeisung von hochfrequenten elektromagnetischen Wellen über ein Koaxialkabel bzw. zur Ausleitung von empfangenen hochfrequenten elektromagnetischen Wellen über das Koaxialkabel. Ferner kann in dem Gehäuse 2 eine Anpassungsschaltung untergebracht werden, so dass die erfindungsgemäße Hornantenne 1 bei sehr tieferen Frequenzen trotz eines ungünstigen VSWR mit Werten zwischen 2 und 3 betrieben werden kann.
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2 zeigt eine Vorderansicht auf das erste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne 1 mit den bevorzugten Abmessungen. Beide Finnen 5a, 5b zusammen weisen eine maximale Gesamtlänge 11 z. B. im Bereich von 200 mm bis 400 mm, bevorzugt im Ausführungsbeispiel eine Gesamtlange 11 von ca. 303 mm auf.
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Eine breite Kante 14a, 14b einer ersten Seitenwand 3a und einer zweiten Seitenwand 3b an einer Öffnung 10 des Horntrichters 4 weist eine Länge 23 z. B. im Bereich von 50 mm bis 150 mm, bevorzugt im Ausführungsbeispiel eine Länge von ca. 105 mm, auf und begrenzt den Freischnitt 7a.
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Eine breite Kante 12 einer dritten Seitenwand 3c und einer vierten Seitenwand 3d an einer Öffnung 10 des Horntrichters 4 weist eine Länge 24 z. B. im Bereich von 50 mm bis 150 mm, im Ausführungsbeispiel bevorzugt eine Länge von 100 mm auf.
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Eine Länge der Auskoppeleinrichtung 2a bzw. der Einkoppeleinrichtung 2b, die der Gesamtlänge 25 einer schmalen Kante 13 der ersten Seitenwand 3a und der zweiten Seitenwand 3b am schmalen Ende 6 des Horntrichters 4 entspricht, liegt z. B. im Bereich von 50 mm bis 150 mm, wobei die im Ausführungsbeispiel bevorzugte Länge ca. 87 mm beträgt.
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Jeder im Ausführungsbeispiel im Wesentlichen trapezförmiger Freischnitt 7a, 7b weist jeweils eine longitudinale Symmetrieachse 8 auf, so dass eine symmetrische Befestigung der Seitenwände 3a, 3b an der Auskoppel- bzw. Einkoppeleinrichtung 2a, 2b gut möglich ist.
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Eine Länge der Auskoppeleinrichtung 2a bzw. der Einkoppeleinrichtung 2b, die der Gesamtlänge 26 einer schmalen Kante 28 der dritten Seitenwand 3c und der vierten Seitenwand 3d am schmalen Ende 6 des Horntrichters 4 entspricht, liegt z. B. im Bereich von 50 mm bis 100 mm, wobei im Ausführungsbeispiel die bevorzugte Länge ca. 66 mm beträgt.
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Der Abstand 15 der beiden Finnen 5a, 5b von jeweils einer Kante 30 einer ersten bzw. zweiten Seitenwand 3a, 3b am äußersten Rand der Öffnung 10 des Horntrichters 4 liegt z. B. im Bereich von 25 mm bis 35 mm, wobei der im Ausführungsbeispiel bevorzugte Abstand ca. 30 mm beträgt.
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Eine Dicke 29 der Finnen 5a, 5b liegt z. B. im Bereich zwischen 5 mm und 15 mm, wobei die im Ausführungsbeispiel bevorzugte Dicke bzw. Materialstärke ca. 9 mm beträgt.
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Im Zentrum des schmalen Endes 6 des Horntrichters 4 bzw. innerhalb des daran angeordneten Gehäuses 2 befindet sich bevorzugt ein Absorber 40 z. B. aus einem kohlenstoffhaltigen Schaummaterial, welcher die Reflexionen der abgestrahlten bzw. der empfangenen elektromagnetischen Strahlung dämpft.
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3 zeigt eine Seitenansicht einer Finne 5a der erfindungsgemäßen Antenne 1 und ihre wesentlichen bevorzugten Abmessungen. Die Gesamtlänge 31 einer Finne 5a, die der Länge der Strecke SF entspricht, liegt z. B. im Bereich von 150 mm bis 200 mm, bevorzugt aber beträgt sie 172 mm. Die erste Höhe 16 der Finne 5a, die der Strecke GB entspricht, liegt im Bereich von 100 mm bis 200 mm, die im Ausführungsbeispiel bevorzugte Höhe 16 jedoch beträgt ca. 151,5 mm, wobei der Punkt B an einem abgerundeten Ende 9 der Finne 5a liegt. Der Abstand 32 des Punktes A vom Punkt F, welcher einer zweiten Höhe 32 der Finne 5a entspricht, liegt z. B. im Bereich von 100 mm bis 150 mm, wobei die bevorzugte Länge ca. 120 mm beträgt. Der Winkel α um den Scheitelpunkt S liegt z. B. im Bereich 45° bis 55°, wobei der bevorzugte Winkel im Ausführungsbeispiel ca. 50,5° beträgt. Der Winkel β um den Scheitelpunkt S liegt im Bereich 30° bis 40°, wobei der bevorzugte Winkel im Ausführungsbeispiel ca. 35° beträgt. Die Strecke SG, welche einer Randstrecke 33 der Finne 5a entspricht, weist eine Länge auf, die z. B. im Bereich von 100 mm bis 150 mm liegt. Ihre im Ausführungsbeispiel bevorzugte Länge beträgt ca. 125 mm.
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4 zeigt eine Aufsicht auf die Antenne einer ersten Seitenwand 3a mit einem Freischnitt 7a und die bevorzugten Abmessungen der erfindungsgemäßen Antenne 1, wobei eine dritte Höhe 34 der Finne 5a bezüglich eines Fußbereichs 37 der Einkoppel- bzw. der Auskoppeleinrichtung 2a, 2b z. B. in einem Bereich von 150 mm bis 200 mm liegt und im Ausführungsbeispiel bevorzugt ca. 172 mm beträgt. Die Höhe 35 in Antennen-Längsrichtung des Horntrichters 4 liegt z. B. in einem Bereich von 100 mm bis 150 mm, wobei die im Ausführungsbeispiel bevorzugte Höhe ca. 120 mm beträgt. Des weiteren ist aus 4 sowie aus 2 zu entnehmen, dass der Horntrichter 4, insbesondere seine Seitenkante 30 einen wachsenden Abstand zur Finne 5a, 5b aufweist. Dieser Abstand liegt im Ausführungsbeispiel im Bereich von ca. 4 mm im Fußbereich 37 der Finne 5a, 5b und ca. 30 mm am Rand der Öffnung 10 des Horntrichters 4.
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5 zeigt einen in 4 mit V markierten Bereich in vergrößerter Darstellung. Der Abstand 36 des Falzes 17 zur Befestigung der Seitenwände 3a, 3b, 3c, 3d, insbesondere der ersten Seitenwand 3a und der zweiten Seitenwand 3b des Horntrichters 4 relativ zu dem Fußbereich 37 der Finne 5a liegt z. B. jeweils im Bereich von 2 mm bis 6 mm, wobei der im Ausführungsbeispiel bevorzugte Abstand ca. 4 mm beträgt.
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6 zeigt eine Antenne gemäß dem Stand der Technik ohne Freischnitt im Bereich der beiden Finnen 5a, 5b, wobei die Verbindungsstäbe 3c, 3d optional sind. Deutlich ist zu erkennen, dass die beiden Finnen 5a, 5b nicht über die Seitenwände 3a, 3b hinausragen. Ferner schließen die Enden der beiden Finnen 5a, 5b mit der Öffnung 10 des Horntrichters 4 ab.
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7 zeigt eine perspektivische Frontalansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne 1 mit jeweils einem Freischnitt 7a, 7b in zwei Seitenwänden 3a, 3b, wobei die Fläche des Freischnitts 7a, 7b jeweils so messen ist, dass beide Finnen 5a, 5b über diese Seitenwände 3a, 3b hinausragen können.
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Jeweils ein erster, flachenmäßig kleinerer Teil 21 der beiden Finnen 5a, 5b ragt jeweils über die Seitenwände 3a, 3b, die den Horntrichter 4 bilden, hinaus. Ein zweiter, flächenmäßig größerer Teil 22 der beiden Finnen 5a, 5b ist jeweils innerhalb des Horntrichters 4 angeordnet.
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8a zeigt einen Verlauf des Antennengewinns (in dB) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz (in GHz) für eine herkömmliche Antenne nach 6. Deutlich ist zu erkennen, dass der Antennengewinn bei einer Betriebsfrequenz zwischen 14 GHz und 15 GHz einbricht.
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8b zeigt einen Verlauf des Antennengewinns (in dB) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz (in GHz) für ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne, wobei dieser Verlauf keinen Einbruch im oben genannten Frequenzbereich zeigt. Außerdem ist zu erkennen, dass der Verlauf dieser Kurve nur geringen Schwankungen unterliegt, so dass diese Kurve im Vergleich zu der in 8a gezeigten Kurve glatter verläuft.
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9a zeigt einen Verlauf des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, spannungsbezogenes Stehwellenverhältnis) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz für eine herkömmliche Antenne nach 6 und 9b einen Verlauf des VSWR (Voltage Standing Wave Ratio, spannungsbezogenes Stehwellenverhältnis) in Abhängigkeit von der verwendeten Frequenz fur ein Ausführungsbeispiel der erfindungsgemäßen Antenne. Es ist deutlich erkennbar, dass die erfindungsgemäße Antenne im Frequenzbereich von 1 GHz bis ungefähr 5 GHz ein günstigeres Stehwellenverhältnis aufweist. Dadurch ist sichergestellt, dass die erfindungsgemäße Antenne in diesem Frequenzbereich mit einem höheren Wirkungsgrad betreibbar ist.
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10a zeigt ein Strahlungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Antenne bei einer Frequenz von 14,03 GHz. Dabei ist bei 90° nur ein leichter Einbruch 38 in der Intensitätsverteilung 39 des elektrischen Feldes zu erkennen. Dies stellt eine deutliche Verbesserung gegenüber dem Stand der Technik dar, da dieser Einbruch 38 bei einer herkömmlichen Antenne nach 6 deutlicher ausgeprägt ist, wobei er mehrere dB betragen kann.
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10b zeigt ein Strahlungsdiagramm einer erfindungsgemäßen Antenne bei einer Frequenz von 17,526 GHz. Der in 10a gezeigte Einbruch 38 ist bei der Intensitätsverteilung 39 des elektrischen Feldes in diesem Strahlungsdiagramm kaum noch ausgeprägt.
