DE1036942B - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Die Erfindung befaßt sich mit Antennenanlagen, die für Funkmeßsysteme geeignet sind zum Senden oder Empfangen von Funkstrahlen, die einen Seiten- und bzw. oder einen Höhenwinkel überstreichen, wie dies z. B. in Mikrowellenfunkanlagen der Fall ist. Die Anordnung dient zum Senden oder Empfangen von Richtstrahlen einer oder mehrerer verschiedener Richtungen.

Es sind Antennen bekannt, die aus einer Vielzahl von ausgerichteten Flächenelementen bestehen. Diese sind auf der Innenfläche eines Rotationshohlkörpers angebracht, der sich mindestens über einen Halbbogen erstreckt. Die Polarisationsebene der einzelnen Teilstrahler sind halbwegs rechtwinklig angeordnet zu den (vorhandenen) Flächenelementen der gegenüberliegenden Seite. Im einfachsten Fall ist die Achse der Antenne senkrecht, und die Flächenelemente sind Drähte, die unter 45° gegen die Horizontale verlaufen. Ein unter 45° polarisierter Funkstrahl wird von einem Punkt im Innern der Antenne gegen die Innenfläche dieser Antenne abgestrahlt. Die zuerst vom Funkstrahl getroffenen Flächenelemente wirken beinahe als total reflektierende Flächen und werfen den Strahl diametral zurück auf andere Flächenelemente, die für den Strahl ziemlich durchlässig sind, so daß dieser in den freien Raum austritt.

Diese Anordnung ist schwierig herzustellen, insbesondere, wenn die Flächenelemente aus Drähten bestehen und die Antennenhöhe, d. h. die Achslänge, beträchtlich ist. Der Nachteil wird noch größer, wenn man den Kurvenverlauf der einzelnen Flächenelemente berücksichtigt. Ein Flächenelement soll als Reflektor wirken, während das entsprechend gegenüberliegende Flächenelement für eine gegebene polarisierte Welle durchlässig sein muß. Diese Kurvenform ist sehr kompliziert und der Herstellungsprozeß äußerst umständlich. Teilweise ist dies auch bei kleinen Antennenhöhen der Fall, wie sie gewöhnlich gefordert werden. Die vorliegende Erfindung ermöglicht es, die beschriebenen Nachteile zu beseitigen und eine Antennenkonstruktion zu ermöglichen, die die gleichen Zwecke erfüllt wie die obenerwähnte, die jedoch wesentlich leichter herzustellen ist, da sie eine kompakte Ausführungsform besitzt.

Erfindungsgemäß besteht die Antennenanordnung aus einer Vielzahl von ringförmigen Abschnitten, die selbst wieder aus einer Vielzahl von ausgerichteten Strahlerelementen bestehen. Diese sind längs einer Rotationsfläche angeordnet, die sich über einen Kreisbogen von mehr als 180° erstreckt. Die Polarisationsebene der einzelnen Strahlerelemente innerhalb eines ringförmigen Abschnittes sind ungefähr rechtwinklig angeordnet zu solchen Strahlerelementen des gleichen Abschnittes (sofern noch welche vorhanden sind), die Antennenanordnung

Anmelder:

Marconi's Wireless Telegraph Company Limited, London

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt, Hannover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität: Großbritannien vom 21. August 1956 und 7. Mai 1957

John Forrest Ramsay, St. Laurent, Quebec (Kanada), ist als Erfinder genannt worden

diametral gegenüberliegen. Die Achsen der Rotationskörper der einzelnen Abschnitte fallen zusammen, und die besagten Rotationsflächen gehen längs einer gemeinsamen Rotationsfläche ineinander über.

Die gemeinsame Rotationsfläche ist vorzugsweise parabolisch, doch in einigen Fällen werden elliptische Formen bevorzugt. Sie kann natürlich auch andere Formen besitzen, wie z. B. kugelförmig. Der Kreisbogen erstreckt sich vorzugsweise über 360°.

Den größten Vorteil, vom praktischen Standpunkt aus gesehen, bietet die Erfindung, wenn die einzelnen Strahlerelemente aus Drähten bestehen. An Stelle von Drähten oder anderen länglichen leitenden Teilen können für die Strahlerelemente längliche Resonanzschlitze dienen.

In der bevorzugten Ausführungsform besteht jedes Strahlerelement aus einem Draht. Betrachtet man eine in Achsrichtung vorgenommene Projektion der Antenne auf eine Ebene senkrecht zu dieser Achse, so bildet in dieser Projektion ein solcher Draht eine Linie, die unter 45° zu einer an dem Mittelkreis des den Draht enthaltenden kreisringförmigen Abschnittes gelegten Tangente geneigt ist. In diesen Konstruktionen werden die Strahlerelemente jedes Abschnittes in folgender Weise hergestellt: Ein gewobener Tuchstreifen, der der Oberfläche des Abschnittes anliegen soll, besteht aus parallelen Drähten und Isoliermaterial (z.B. Glasfasern). Liegt dieser Streifen flach ausgebreitet, so bilden die Drähte in ihm mit der Längsseite des Streifens einen Winkel von 45°.

809 598/382

Es muß zugegeben werden, daß die oben beschriebene Konstruktion nicht vollständig mit den theoretischen Forderungen übereinstimmt. Der Winkel jedes Strahlerelementes in jedem beliebigen Abschnitt stimmt nur dort genau, wo der Draht die Mittellinie des diesen Draht enthaltenden Abschnittes kreuzt. Mit größer werdendem Abstand von diesem Punkt wächst der Fehlwinkel. Daman jedoch die Höhe der einzelnen Abschnitte klein halt, kann man die maximale Abweichung vom theoretisch erforderlichen Wert jedes Teilabschnittes ebenfalls klein halten. Durch entsprechende Wahl der Anzahl der einzelnen Abschnitte ist es relativ einfach, eine Antenne mit beträchtlicher Achshöhe zu erhalten. Diese Anordnung stimmt nicht exakt mit den theoretisch vorgeschriebenen Werten überein, doch sind die Abweichungen sehr gering.

Die Erfindung soll an Hand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden.

Fig. 1 zeigt einen Querschnitt einer erfindungsgemäßen Ausführung, während

Fig. 2 eine Draufsicht darstellt.

Die Antenne ist so befestigt, daß ihre Achse senkrecht steht. Der Antennenboden ist mit 1 bezeichnet. Am Kopfende der Antenne ist ein kreisförmiges Loch 2. Die Antenne besteht aus sechs aufeinander aufgeschichteten Abschnitten.

Jeder dieser Abschnitte besteht aus einer Vielzahl von gerichteten Strahlerelementen, die auf einer sich über 360° erstreckenden Rotationsfläche liegen. Die Strahlerelemente werden durch Drähte gebildet. Die sechs Abschnitte sind mit den Zahlen 3 bis 8 numeriert.

Die Drähte jedes Abschnittes sind so geformt, daß ein Draht der direkten Projektion einer Linie auf die Rotationsoberfläche des Abschnittes, zu dem er gehört, folgt. Hierbei ist diese Linie unter 45° gegen die Tangente an den Mittelkreisbogen dieses Abschnittes geneigt. Dieser Mittelkreisbogen liegt in der gemeinsamen Ebene von der Tangente und der besagten Linie. Betrachtet man z. B. den Abschnitt 6 der Fig. 2. Dort ist der Mittelkreisbogen 10 durch eine gestrichelte Linie dargestellt. Der Kreisbogen erstrekt sich über 360°. Die Draufsicht der Fig. 2 stellt eine direkte Projektion der Antennenanordnung dar auf eine Ebene senkrecht zur Achse der Anordnung. Die für den Abschnitt 6 eingezeichneten Drähte erscheinen in dieser Darstellung deshalb unter 45° geneigt gegen eine (nicht eingezeichnete) Tangente an den Mittelkreis 10.

Würde man den Abschnitt 6 der Antennenanordnung mit den eingelegten Drähten in eine Ebene ausbreiten, so ergäbe sich in erster Annäherung natürlich ein parallel verlaufender Streifen, auf den die einzelneu Drähte parallel zueinander liegen würden und mit der Grundlinie des so abgewickelten Streifens einen Winkel von 45° bilden würden. Wenn die Streifenbreite, d. h. die Höhe der einzelnen Abschnitte, entsprechend klein gewählt ist, sind die durch die Abwicklung bedingten Verzerrungen so gering, daß man eine Antennenanordnung gemäß der Erfindung sehr wohl aus solchen Streifen zusammensetzen kann. Da die verwendeten Drähte biegsam sind, können sie nach Aufbringen auf eine entsprechend ausgebildete Form, die die Kontur der gewünschten Antennenanordnung besitzt, so gebogen werden, daß sich jeder einzelne Draht des Streifens (Abschnittes) an die besagte Form anschmiegt. Aber selbst wenn die Drähte nicht gebogen werden, sind bei einer so aufgebauten Antennenanordnung die Abweichungen von der theoretisch erforderlichen Form äußerst gering Alle Strahlerelemente einer praktischen Ausführung sind in Fig. 1 und 2 für den Abschnitt 6 angezeichnet. In den anderen Abschnitten wurden nur einige Strahlerelemente angedeutet, um die Figur nicht zu überladen. In der Praxis ist der Abstand der Strahlerelemente in den einzelnen Abschnitten ungefähr gleich.

Die Formgebung der Rotationsflächen, in denen die einzelnen Abschnitte liegen, ist so gewählt, daß diese

ίο Oberflächen zusammen eine einzige Rotationsfläche ergeben, die im Ausführungsbeispiel parabolische Form hat. Wenn daher ein divergenter Funkstrahl von einem innerhalb der Anordnung liegenden Hornstrahler od. dgl. ausgesendet wird, so wird dieser Strahl dort, wo er zuerst auf die Innenseite der Antenne auftritt, reflektiert. Dann passiert er diametral den Innenraum der Antenne, um an der gegenüberliegenden Seite halbwegs ungehindert die Anordnung zu verlassen. Dieser Verlauf ist durch gestrichelte Pfeillinien angezeigt. Ist wie im Ausführungsbeispiel die Form der Antenne parabolisch, so ist die Abstrahlung in jedem Fall (theoretisch) ein parallel begrenzter Richtstrahl. Die Form der Antenne kann entsprechend dem gewünschten Richtstrahl gewählt werden. Ist es z. B. von großer Bedeutung, die Aberration auf ein Minimum zu beschränken, so zieht man eine elliptisch geformte Antenne einer parabolischen Form vor.

Die eben beschriebene Antenne hat den Vorteil, daß sie gegenüber bekannten Ausführungen wesentlich einfacher herzustellen ist. Jeder Abschnitt wird aus einem gewobenen Streifen hergestellt, der aus Isoliermaterial (Glasfasern) und Drähten besteht. Diese Streifen werden gemäß dem Verlauf der Abschnitte ausgebreitet. Haben diese Streifen etwa die Breite der gewünschten Abschnittshöhe und etwa die Länge des gewünschten Umfanges eines Abschnittes, so werden sie auf eine der gewünschten Antenne entsprechende Form geeigneten Materials aufgebracht.

Die im gewobenen Streifen befestigten Drähte werden dabei in allen praktisch vorkommenden Fällen ihre gewünschte Lage einnehmen. Eine in Fig. 1 bzw. 2 gezeigte Antenne kann also dadurch hergestellt werden, daß man eine Form der gewünschten Antenne macht und dann einfach Längen von Stoffstreifen mit aufgebrachten Drähten umlegt. Um der endgültigen Struktur die gewünschte mechanische Festigkeit zu verleihen, kann jedes bekannte Verfahren hierfür verwendet werden. Zu diesem Zweck kann man z. B. die Streifen aus gewobenen Glas anfertigen.

Mit dieser Anordnung lassen sich die theoretischen Bedingungen sehr gut annähern.

"Wenn Teil 9 längs eines Kreises rotiert, der seinen Mittelpunkt auf der Antennenachse hat, bestreicht der Funkstrahl den Azimut. Aus naheliegenden optischen Gründen wird der maximale Kreisradius etwa halb so groß gewählt wie der maximale Antennenradius für einen Fall, wie er in Fig. 1 und 2 dargestellt wurde. Hier ist die Antenne parabolisch, da ein parallel begrenzter Richtstrahl erwünscht ist. Natürlich ist es nicht nötig, nur eine einzige Abstrahlquelle zu verwenden. Ist die Antenne z. B. Teil einer Mikrowellenanlage, so können eine oder mehrere Quellen, die in verschiedene Richtungen schauen bezüglich den gewünschten Richtungen der Übertragung (genauer gesagt, um 180° gegen diese Richtungen versetzt), innerhalb der Antenne angeordnet werden.

Obwohl die einzelnen Strahlerelemente als Drähte

dargestellt wurden, die in ein Tuch eingewoben sind, können sie jede an sich bekannte Form haben, z. B.

können sie aus mehr oder weniger stabilen Drähten oder aus Streifen oder Dipolen bestehen.

Claims (9)

Patentansprüche:

1. Antennenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß diese aus einer Vielzahl von ringähnlichen Abschnitten besteht und diese Abschnitte selbst wieder eine Vielzahl von gerichteten Strahlerelementen enthalten, die auf einer Rotationsfläche angeordnet sind, die sich über einen Kreisbogen von mehr als 180° erstreckt, wobei die Polarisationsebene jedes Strahlerelementes in jedem Abschnitt ungefähr einen rechten Winkel bildet mit dem Strahlerelement des gleichen Abschnittes, das diametral auf der gegenüberliegenden Seite ist, sofern ein solches vorhanden ist, und wobei die Achsen der Rotationsflächen der einzelnen Abschnitte zusammenfallen und die einzelnen Rotationsflächen so aneinanderstoßen, daß eine neue gemeinsame Rotationsfläche aller Abschnitte entsteht, ferner gekennzeichnet durch Mittel, die in vorbestimmter Entfernung zwischen der Antennenoberfläche und Achse angeordnet sind zum Ausleuchten der Antenne mit elektromagnetischen Wellen, deren Polarisationsrichtung so gewählt ist, daß der Teil der Antennenoberfläche, der von der Erregerstrahlung direkt getroffen wird, in der Weise reflektierend wirkt, daß der Energiestrahl von diesem Teil der Antennenoberfläche den Innenraum der Antennenanordnung diametral durchquert, um auf der gegenüberliegenden Seite, ungehindert von etwa vorhandenen Strahlerelementen, deren Polarisationsebene von der Polarisationsrichtung der elektromagnetischen Wellen verschieden ist, in den freien Raum außerhalb der Antennenanordnung auszutreten.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Rotationsfläche elliptischen Verlauf hat.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Rotationsfläche parabolischen Verlauf hat.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die gemeinsame Rotationsfläche kugeligen Verlauf hat.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Kreisbogen einen Winkel von 360° einschließt.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente aus Drähten bestehen.

7. Antennenanordnung nach Anspruch 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente aus länglichen Resonanzschlitzen bestehen.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Strahlerelement aus einem Draht besteht, der so geformt ist, daß er der direkten Projektion einer Linie auf die Rotationsfläche des Abschnittes, zu dem er gehört, folgt, wobei diese Linie unter einem Winkel von 45° gegen die Tangente des Mittelkreises dieses Abschnittes geneigt ist und die Tangente mit der besagten Linie in einer gemeinsamen Ebene liegt.

9. Antennenanordnung nach Anspruch 6 oder 8, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Strahlerelemente jedes Abschnittes durch parallele Drähte gebildet werden, die in Tuchstreifen befestigt sind und so gebogen werden, daß sie sich der Oberfläche des entsprechenden Abschnittes anschmiegen, wobei diese Streifen aus Drähten und geeignetem Isoliermaterial bestehen.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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