DE1046121B - Raeumlich kleine Richtantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine räumlich kleine Richtantenne mit sehr starker Bündelung und im Vergleich zur Betriebswellenlänge kleiner Antennenabmessung unter Verwendung von im supraleitenden Zustand befindlichen Strahlerelementen, die über Kopplungs- bzw. Anpassungsmittel miteinander verbunden sind.

Es ist im allgemeinen üblich, die Bündelungsschärfe einer Antenne nur durch Vergrößerung der Gesamtabmessungen zu erhöhen. Man kommt so mit größeren Anforderungen an die Bündelungsschärfe zu Antennengrößen, die groß gegen eine Wellenlänge der durch diese Antenne abgestrahlten elektromagnetischen Energie sind. In vielen Fällen sind aber kleine Abmessungen der Antenne bei gleich großer Bündelungsschärfe erwünscht.

Bei den üblichen Richtantennen, deren Abmessungen groß gegen die Wellenlänge sind und bei denen zwischen den Strahlern nur eine geringe Strahlungskopplung vorhanden ist, ist der Strahlungswiderstand groß gegen den Leitungswiderstand der Strahlerelemente und der Kopplungs- bzw. Anpassungsglieder. Will man aber große Bündelungsschärfen bei Antennen erzielen, welche die Größe von z.B. nur einer Wellenlänge nicht überschreiten sollen, so ist wegen der geringen Abstände zwischen den Strahlerelementen dieser Antenne die Strahlungskopplung zwischen ihnen sehr groß. Wegen dieser großen Strahlungskopplung der Strahler untereinander fließt in den Strahler- und Speiseelementen ein so großer Blindstrom, daß der größte Teil der in die Antenne gelieferten elektromagnetischen Energie infolge der auftretenden Verluste in den Kopplungs- und Speiseelementen sowie in den Strahlern vernichtet wird, so daß das Verhältnis von Strahlungs- zu Verlustleistung sehr klein wird und der Wirkungsgrad einer solchenAntennegeringist.

Es ist zur Lösung dieses Problems aus der über die Fiat-Berichte vorveröffentlichten deutschen Altpatentanmeldung T 56367 VIII a/21a4, Gr. 69, bekannt, im supraleitenden Zustand befindliche Antennen zu verwenden. Weiterhin ist es auch bekannt, und zwar aus der deutschen Patentschrift 136 841, die Kopplungsbzw. Anpassungsmittel einer Antenne in dieser Weise zu betreiben. Bei der Realisierung derartiger Anordnungen zeigt sich jedoch, daß es außerordentlich schwierig ist, die im supraleitenden Zustand zu haltenden Teile einerseits hinsichtlich der Abstrahlung günstig anzuordnen und andererseits hinsichtlich der Kühlung zufriedenstellend in die gesamte Anlage einzufügen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf dem eine Lösung dieses Problems möglich ist.

Diese Aufgabe wird bei einer Anordnung der ein-

Anmelder:

Dipl.-Ing. Friedrich Kleine,
München-Solln, Wolfratshauser Str. 208

Dipl.-Ing. Friedrich Kleine, München-Solln,
ist als Erfinder genannt worden

leitend beschriebenen Art gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die Antenne in einem die Kühlungsmittel aufnehmenden Gefäß, ähnlich Dewar-Gefäß, mit nur teilweiser Metallisierung untergebracht ist, und daß diese Metallisierung als Teil der Antenne dient. Die hierfür notwendigen niedrigen Temperaturen kann man mit Hilfe bekannter Kältemaschinen erzeugen. Als Stoff für die Speise- und Kopplungselemente werden vorzugsweise solche mit relativ hoher Sprungtemperatur verwendet. Es wird so möglich, auf engem Raum viele Strahlerelemente anzuordnen, deren Erregung so vorgenommen wird, daß sowohl die Einzelstrahler als auch Strahlergruppen u. dgl. nach bestimmten Gesetzen gegenphasig, oder bis zu ± 90° davon abweichend gespeist werden. Der Wirkungsgrad der Antennen wird durch beträchtliche Herabsetzung der — bei normal ausgebildeten Antennen uninteressanten—Leitungs widerstände wesentlich vergrößert. Es ist bekannt, daß elektrische Leiter und HaIbleiter unterhalb einer gewissen, sogenannten Sprungtemperatur ihren elektrischen Widerstand fast vollkommen verlieren. Diese Werte liegen im allgemeinen bei sehr niedrigen Temperaturen, z. B. bei 4° C abs. Es sind aber auch Stoffe bekannt, deren Sprungtemperatur, das ist diejenige Temperatur, bei der der normal leitende Zustand in den supraleitenden Zustand übergeht, bei wesentlich höheren Temperaturen liegt. Solche Stoffe sind z. B. Niobhydrid- und Niobnitrid. Sie können z. B. durch flüssigen Wasserstoff im supraleitenden Zustand gehalten werden. Bei der Anordnung nach der Erfindung können daher die Strahlerelemente u. dgl. vorzugsweise durch Flüssigkeiten mit sehr niedriger Temperatur in den supraleitenden Zustand versetzt werden. In jüngeren Veröffentlichungen sind auch

809 698/334

flüssige Stoffe genannt, die bei Temperaturen um 200° C abs. bereits eine starke Widerstandsabnahme zeigen. Es kann daher angenommen werden, daß noch Stoffe gefunden werden, die mit relativ einfachen Mitteln auf die nötige niedrige Temperatur gebracht werden können.

Die Antenne wird in einem die Kühlungsmittel aufnehmenden Gefäß, ähnlichDewar-Gefäß, untergebracht. Dieses dürfte wegen des Strahlungsaustrittes keine Versilberung tragen, es sei denn, daß gewisse Silberflächen in die Antennenfunktion (z. B. Reflektor) mit aufgenommen werden. Um die Verdunstung des Kühlmittels herabzusetzen, sollen an Stellen, an denen eine elektrische Ausstrahlung erfolgen soll, Filtermittel vorgesehen werden, die das kurzwellige Licht, z. B. Wärmestrahlen, hemmen, aber die langwellige elektrische Strahlung durchlassen. Als solche Filtermittel können im einfachsten Fall grellweiße Farbanstriche verwendet werden. Das genannte Gefäß wird mit einem solchen Stoff gefüllt, daß die Temperatur der in diesem Gefäß untergebrachten Antenne unter die Sprungtemperatur der betreffenden Materialien, aus denen die Antenne oder Teile der Antenne, insbesondere die Kopplungs- und Anpassungsmittel, hergestellt sind, gebracht wird. Es kann auch vorteilhaft sein, ein mehrwandiges Gefäß zu verwenden, so daß gleichzeitig mehrere Kühlungsmittel schichtweise verwendet werden können. Man kann so z. B. in der den Strahlerelementen am nächsten liegenden Kühlungszone Stoffe mit einer sehr niedrigen Temperatur verwenden und in der diese umgebenden Zone Stoffe mit einer weniger tiefen Temperatur unterbringen. Eine vorteilhafte Anordnung kann z. B. darin bestehen, daß die Antennenanordnung in einem mit flüssigem Wasserstoff gefüllten Dewar-Gefäß untergebracht ist, das seinerseits wiederum in einem mit flüssigem Stickstoff gefüllten Gefäß aufbewahrt wird.

Die Antenne kann so ausgebildet werden, daß sie ganz oder wenigstens zum Teil als Gefäß zur Aufnahme der Unterkühlungsmittel dienen kann. Die Strahlerelemente können dann gegebenenfalls zum Schutz gegen äußere Wärmeeinwirkungen in z. B. mit flüssigem Wasserstoff gefüllte Schutzgefäße gebracht werden.

Gewisse Bedeutung kommt bei der Anordnung nach der Erfindung auch den elektrischen Verlusten in den Kühlungsmitteln zu. Es ist daher zweckmäßig, Kühlungsmittel in einem solchen Zustand zu verwenden, daß ihre elektrischen Verluste möglichst niedrig liegen.

Werden solche Antennen im fernen Weltenraum, z. B. auf Erdtrabanten, Geschossen oder Raumschiffen benutzt, so können sie ohne besonderen Aufwand auf die notwendige niedrige Temperatur gebracht werden. Von Bedeutung ist hier im wesentlichen die Ausschaltung der Sonnenstrahlung.

Die Erfindung wird im folgenden an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.

Den Ausführungsbeispielen wird zur Erklärung der Wirkungsweise folgendes vorausgeschickt: Kennt man die Strombelegung eines Antennengebildes, so kann man bekanntlich durch Addition der Feldstärken der Strahlung der Einzelstrahlerelemente am fernen Ort die resultierende Strahlung erhalten. Teilt man das Strahlergebilde in geeignete Gruppen und Untergruppen usw. auf und besetzt in jeder Gruppe den Schwerpunkt der nächstfolgenden Untergruppe mit einem Kugelstrahler (elektrisch nicht realisierbar), so erhält man das Gruppenstrahlungsdiagramm usw. und schließlich die Gesamtstrahlungscharakteristik durch Multiplikation der den verschiedenen Gruppen u.dgl. zuzuordnenden Strahlungsdiagramme. Eine derartige Aufteilung eines Antennengebildes ist in der Fig. 1 gezeigt. Hierbei ist 1 die Stromquelle für die gesamte Gruppe von Strahlern, 2 die Stromquelle für die Untergruppe der Strahler und 3 die Stromquelle für die Einzelstrahler 4. Bekanntlich weisen zwei ziemlich eng benachbarte Strahlerelemente bereits eine Richtwirkung auf, wenn man sie mit verschiedener Phasenlage erregt. Beispielsweise zeigen zwei Strahler, die gegenphasig erregt sind, eine Strahlungscharakteristik, die sich im Abstandsbereich zwischen einer halben Wellenlänge und sehr kleinem Abstand nicht wesentlich ändert. Schaltet man solche Einheiten zu Gruppen zusammen, die wieder mit Phasenunterschied derart gespeist werden, daß sich ihre Richtcharakteristik verschärft und setzt man diese Zusammenfassung weiter fort, so zeigt die Summencharakteristik eine sehr scharfe Bündelung. Die Schaltungsanordnung nach Fig. 1 ist realisierbar. Vorteiihafter aber ist es, eine Antennenform nach den Fig. 2 a bis 2c zu wählen: denn die Speiseleitung wird dadurch sehr einfach. Allerdings muß man darauf achten, daß man die Stromverteilung auf die einzelnen Strahlerelemente 5 günstig wählt. Die Strahlerelemente sind hierbei an einen Antennentransformator 6 angeschlossen. Die Stromverteilung kann durch eine entsprechende Dimensionierung des Transformators 6 bestimmt werden. Sie kann aber auch, wie dies in Fig. 2b gezeigt ist, durch eine Verkürzung der Antenne mittels eingebauter Verlangerungsspulen 7 oder entsprechende Verlängerung durch Serienschaltung von Kapazitäten in gewünschter Weise beeinflußt werden. Eine andere, sehr vorteilhafte Art des Antennenaufbaues ist in Fig. 2 c gezeigt, bei der die Stromverteilung in den einzelnen Strahlerelementen durch an den Antennentransformator angeschaltete Kondensatoren 8 in der erwünschten Weise erzwungen wird. Bei dieser Ausführungsform kann man zweckmäßigerweise die Kondensatoren 8 durch flächenhafte Ausbildung der Ver- bindungspunkte zwischen den Strahlerelementen 5 und dem Antennentransformator 6 ausbilden. Eine derartige Ausführungsform ist in der Fig. 3 dargestellt. Die Strahlerelemente 5 sind an ihrem Fußpunkt scheibenförmig ausgebildet und stellen so die Kondensatorbeläge 9 dar. An einem geeigneten Punkt 10 ist jeder dieser Kondensatorbeläge bzw. der Fußpunkt der Antenne mit dem Antennentransformator 6 verbunden. Es ist bei dieser Ausführungsform sehr leicht einzusehen, daß in den Speiseeinrichtungen für die einzelnen Strahlerelemente sehr starke Blindströme fließen und daß eine solche Antenne ohne die bei der Anordnung nach der Erfindung getroffenen Maßnahmen einen sehr schlechten Wirkungsgrad aufweisen würde. Der Übergangswiderstand zwischen den als Scheiben ausgebildeten Kondensatorbelägen und den Fußpunkten der Strahlerelemente muß natürlich niederohmig genug sein.

Die Bündelungsschärfe eines solchen Strahlersystems entspricht ungefähr der Form cos" φ, wobei η die Zahl der Strähler und φ den Öffnungswinkel des Strahlungsbündels angibt.

Ein weiteres Ausführungsbeispiel für eineAntennenanordnung nach der Erfindung ist in Fig. 4 gezeigt. Die Anordnungbesteht aus einem Antennentransformator 6, der z. B. einen Ferritkern besitzen kann. An den Anteninientransformator sind 2" Paare von symmetrischen oder unsymmetrischen Strahlerelementen angekoppelt. Die Ankopplung eines unsymmetrischen Strahlerelementenpaares ist in Fig. 4 a und die Ankopplung eines symmetrischen Antennenpaares in Fig. 4b ge-

1 U4Ö IZi

zeigt. Die Längen der einzelnen Strahlerelemente können so gewählt werden, daß eine günstige Stromverteilung erzielt werden kann.

Die Erfindung ist insbesondere auch auf Rahmenantennen anwendbar. Ein normal ausgebildeter Rahmen besitzt bekanntlich dieselbe Richtcharakteristik wie ein einfacher Dipol. Will man mit einem Rahmen eine große Bündelungsschärfe erreichen, so ist es notwendig, die Strombelegung eines Rahmens so zu wählen, daß sie in den äußeren Windungen groß ist und gegen die weiter innen liegenden Windungen abfällt. Eine derartige Rahmenantenne ist schematisch in Fig. 5 dargestellt. Die gewünschte Stromverteilung wird durch gegenläufige Windungen, welche die Induktivität der betreffenden Windung zum Teil kompensieren, erzwungen. Da bei dieser Rahmenantenne hohe Leitungswiderstände auftreten, ist der Antennenwirkungsgrad nicht gut. Durch die Maßnahmen bei der Anordnung nach der Erfindung dagegen kann erreicht werden, daß die gewonnenen, sehr guten Bündelungseigenschaften mit einem guten Wirkungsgrad verknüpft werden können. Die in der Fig. 5 gezeigte Rahmenantenne besteht aus den äußeren, parallel liegenden Leitern 11, die praktisch eine Windung'bilden·. Nach einem Umlauf der vier äußeren Leiter 11 wird der innerste dieser vier Leiter zu einer gegenläufigen Windung 12 abgezweigt. Die zweite Windung 13 besteht also nur mehr aus drei gleichsinnig umlaufenden Einzelleitern, von denen wieder nach einem Umlauf ein weiterer Leiter 14 in eine g'egensinnige Windung übergeführt wird. Die dritte Windung 15 besteht nur mehr aus zwei einzelnen Leitern, die an dem gemeinsamen Leitungsverbindungspunkt 16 enden. Vorteilhafterweise können die Windungen der Rahmenantenne ähnlich wie bei einer gedruckten Schaltung als Belag auf dem Unterkühlungsgefäß aufgebracht werden

Natürlich kann man auch mehrere Rahmenantennen mit umgekehrtem Umlaufsinn des Stromes in den Windungen kombinieren. Man kann so auch beliebig mehrere Gruppen von Rahmenantennen zusammenschalten.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Räumlich kleine Richtantenne mit sehr starker Bündelung und im Vergleich zur Betriebswellenlänge kleiner Antennenabmessung unter Verwendung von im supraleitenden Zustand befindlichen Strahlerelementen, die über Kopplungs- bzw. Anpassungsmittel miteinander verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne in einem die Kühlungsmittel aufnehmenden Gefäß, ähnlich Dewar-Gefäß, mit nur teilweiser Metallisierung untergebracht ist und daß diese Metallisierung als Teil der Antenne dient.

2. Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß Gefäße verwendet sind, bei denen die Kühlungsmittel in mehrlagiger Schichtung angeordnet sind.

3. Richtantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß in den verschiedenen Kühlzonen verschiedene Kühlungsmittel verwendet sind und daß die Temperatur des innen gelegenen Kühlmittels am niedrigsten und die Temperaturen der nach außen gelegenen Kühlmittel stufenweise höher liegen.

4. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente hohl ausgebildet und mit dem Kühlmittel selbst gefüllt sind.

5. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens die Kopplungs- oder Anpassungsmittel auf ihrer Oberfläche versilbert und poliert sind.

6. Richtantenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, gekennzeichnet durch ihre Verwendung bei künstlichen Erdtrabanten, Raumschiffen oder Geschossen, vorzugsweise unter Ausschaltung der Sonnenbestrahlung.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 136 841;
deutsche Altpatentammeldung T 56367 VIII a/ 21 a ⁴, veröffentlicht in den Fiat-Berichten.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

© 809 698/334 12.58