DE1046696B - Anordnung zur gleichphasigen Erregung einer aus einer Vielzahl von Einzelstrahlern bestehenden Antennenanordnung - Google Patents

Description

Zur Herstellung einer stark gebündelten Richtstrahlung ist es üblich, Strahlergruppen zu verwenden, die aus einer Anzahl von Strahlern, z. B. Dipolen, bestehen, die in Spalten und Zeilen in einer senkrecht zur Strahlrichtung gelegenen Ebene angeordnet sind. Dabei werden die Wellenwiderstände der Endleitungen des Speiseleitungssystems an die Fußpunktswiderstände der Einzelstrahler angepaßt. Auch die Zuleitungen des Speiseleitungssystems müssen an die Verzweigungspunkte angepaßt sein. Es ist weiter bekannt, bei solchen Anordnungen die Speiseleitungen gleicher Ordnung elektrisch gleich lang zu machen.

Zur Verstärkung der Energie in der Hauptstrahlrichtung und ihrer Unterdrückung in der Rückstrahlrichtung ist dabei meistens eine Reflektoirwand in einer parallel zur S rahlerebene im bestimmten Abstand liegenden Ebene als Reflektor angeordnet, der aus einer geschlossenen Fläche oder einzelnen abgestimmten oder nicht abgestimmten Stäben bestehen kann. Es hat sich herausgestellt, daß es bei Antennenanordnungen dieser Arten besonders schwierig ist, die Strahlerfläche gleichphasig zu erregen. Die Bedingung der Gleichphasigkeit ist zur Erzeugung guter Richtstrahlung von großer Bedeutung. Sie ist aber besonders schwer einzuhalten, wenn eine größere Strahlerfläche zum Zwecke stärkerer Bündelung benutzt werden soll. Es hat sich nun gezeigt, daß die Schwierigkeit, die gleichphasige Erregung der Strahler sicherzustellen, einmal durch stehende Wellen im System der Speiseleitung hervorgerufen wird. Zur Vermeidung von Phasenänderungen infolge stehender Wellen ist es daher gebräuchlich, die Längen einzelner Speiseleitungsabschnitte unter Zulassung von stehenden Wellen gleich dem Vielfachen einer halben Wellenlänge zu machen. Diese Vorschrift hat aber zur Folge, daß das betreffende Speiseleitungssystem frequenzabhängig wird und nur in einem verhältnismäßig kleinen Frequenzbereich zufriedenstellend arbeitet, weil der phasenstörende Einfluß der stehenden Wellen im System der Speiseleitungen bei Abweichungen von der Bauwelle recht groß und die Bedingung der gleichphasigen Speisung der Strahler damit gestört wird. Ein weiterer Grund für die vorstehend genannte Schwierigkeit ist in dem störenden Einfluß der diffusen Reflexion an den bisher verwendeten Reflelctorflächen zu suchen. Die aus einer geschlossenen Fläche oder einer Fläche aus dicht beieinanderliegenden Gitterstäben bestehenden Reflektoren sind gut geeignet, eine Reflexions wirkung dort in vollkommener Weise zu bewirken, wo bei großem Abstand vom Strahlungszentrum bereits eine annähernd ebene Wellenfront vorhanden ist, sie verlieren jedoch diese guten Reflexionseigenschaften, wenn sie im Abstand von etwa einer Viertelwellen-Anordmmg zur gleichphasigen Erregung

einer aus einer Vielzahl von Einzelstrahlern

bestehenden Antennenanordnung

Anmelder:

Deutsche Bundespost,

vertreten durch den Präsidenten

des Fernmeldetechnischen Zentralamts,

Darmstadt, Rheinstr. 110

Dr.-Ing. Ernst Prokott, Darmstadt, und Heinz Kienow, Königslutter, sind als Erfinder genannt worden

länge hinter einer Strahlerwand angebracht werden. Dies rührt daher, daß die Reflexionspunkte bzw. -flächen unter derartig viel verschiedenen Einfallswinkeln verstreut liegen, daß eine diffuse Reflexion eintritt. Man hat Reflektoren dieser Art aber immer wieder verwendet, weil die Rückstrahlung durch sie stark unterdrückt wird. Bei guter Unterdrückung der Rückstrahlung wird aber die abgestrahlte Energie in der Hauptstrahlrichtung infolge der diffusen Reflexion an einer geschlossenen Fläche oder einer Fläche aus dicht beieinanderliegenden Gitterstäben wesentlich geschwächt, außerdem tritt, und das ist ein viel schwerer wiegender Nachteil, eine Beeinflussung der Strahler über die Reflektoarwand ein. Infolge der diffusen Reflexion sind nämlich die Einzelstrahler untereinander gekoppelt, wobei die reflektierte Energie unter Zurücklegung verschiedener Weglängen von einem Strahler zum anderen gelangt. Dadurch ergibt sich ein kompliziert gekoppeltes System, wobei die ursprünglichen Phasenbedingungen der Einzelstrahler entsprechend der Strahlenkopplung über verschiedene Weglängen sich unkontrollierbar ändern, so daß keine Phasengleichheit mehr gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird bei einer Anordnung zur gleichphasigen Erregung einer Vielzahl von mit Reflektoren versehenen Einzelstrahlern mit Anpassung der End- und Zuleitungen des Speiseleitungssystems an die Einzelstrahler und Verzweigungspunkte eine Phasenbeständigkeit der Strahlergruppe über einen großen Wellenbereich dadurch; erreicht, daß die bekanntermaßen elektrisch gleich langen Leitungsabschnitte gleichen Wellenwiderstandes von dem Viel-

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fachen einer Viertelwellenlänge wesentlich verschieden sind und der Reflektor so ausgebildet ist, daß eine Beeinflussung der Phasenbedingungen d,er Einzelstrahler durch diffuse Reflexion vermieden ist.

Der Gegenstand der Erfindung ist im folgenden an Hand der Zeichnung näher erläutert. In Abb. 1 ist ein Ausschnitt eines Speiseleitungssystems mit den Strahlern 1-1 und dem Reflektor 0-0 dargestellt. An den Dipolstrahler 1-1, beispielsweise eines Dipols von der Ausdehnung einer Wellenlänge mit dem Fußpunktswiderstand Z₁, ist die symmetrische Speiseleitung 2-2 mit dem Wellenwiderstand Z₂ angeschlossen, wobei Z₁ = Z₂ zu wählen ist. Am Verzweigungspunkt V-V ist die Speiseleitung 3-3 angeschlossen. Entsprechend der Erhaltung der Anpassung wird Z₃ = ¹IzZ₂ gewählt usw., an jedem Verzweigungspunkt im Übergang auf die speisende Leitung auf den halben Wellenwiderstand jeder der beiden zusammengefaßten Leitungen in der Art bemessen, daß gemäß der Anordnung nach Abb. 1, Spaltet, die Wellenwiderstände beispielsweise folgende Werte haben: Z₂ = ¹ZzZ₃, Z₃ = VaZ₄, Z₄ -¹IzZ₅ bzw. Z₅ = VeZ₂ = VeZ₁. In ähnlicher Weise sind die übrigen Spalten B, C und D und unter Umständen weitere Spalten der Dipolwände aufgebaut, wobei alle Spalten elektrisch gleich sind. Zu diesem Zweck werden sie vorzugsweise auch in gleicher Weise mechanisch so aufgebaut, daß alle Teillängen des Speiseleitungssystems, z. B. 2-2 und 3-3 sowie 4-4 usw., elektrisch gleiche Länge haben und eine fortlaufende Anpassung an den Wellenwiderstand gemäß obiger Vorschrift aufweisen. Um gegenseitige Beeinflussung und infolgedessen zusätzliche Phasenstörungen zu vermeiden, können alle Leitungen so geführt werden, daß sie gegenüber den Strahlern entkoppelt sind, d. h. senkrecht zu diesen verlaufen.

An die Endleitungen 5-5, die im vorliegenden Beispiel den Wellenwiderstand Z₅ aufweisen, können Übergangsstücke herkömmlicher Art für den Übergang von Symmetrie auf Unsymmetrie so angebracht werden, daß koaxiale Kabel gleicher Länge dort angeschlossen und mit Hilfe von Verteilköpfen üblicher Bauart zu einer einzigen Speiseleitung zusammengefaßt werden können. Ein System vorstehend beschriebenen Aufbaues zeigt die Eigenschaft vorzüglicher Phasenstarrheit.

Der Fußpunktswiderstand Z₁ kann gemessen oder berechnet werden. Die Bestimmung von Z₁ ist für die richtige Wirkungsweise von ausschlaggebender Bedeutung, insbesondere ist die Anwesenheit des Reflektors bei der Widerstandsbestimmung zu berücksichtigen. Die Messung muß also im fertigen Aufbau der Antenne vorgenommen werden. Rechnerisch bestimmt sich der Fußpunktswiderstand Z₁ =Z_S / 196, wobei Z_s = 60·In4·aid ist, wenn α den Abstand zwischen Strahler und Reflektorfläche und d den Durchmesser des Strahlers bedeutet. Aus konstruktiven Gründen wird der Reflektor aus einzelnen nicht abgestimmten Stäben aufgebaut. Es ist dann in der Formel für Z₅ zu berücksichtigen, daß die Kapazitätswirkung des Reflektors nicht so groß ist wie die einer geschlossenen Fläche. Ein Teil der zugeführten Leistung wird auch nach rückwärts abgestrahlt. Bezeichnet man mit N₅ die Leistung in der Hauptstrahlrichtung und mit N_R die in der Rückstrahlrichtung, dann ist die gesamte Leistung

Xges =N_S+N_R bzw. N_R = p-N_ees.

Unter der Annahme, daß das Verhältnis der Leistungen wie das der Energien ist, wird für die geschlossene Fläche die Strahlungsenergie W = ^lhC_P ■ u², wobei Cp die wirksame Kapazität des Strahlers gegenüber der geschlossenen Fläche darstellt. Bezeichnet man die Kapazität des Strahlers gegenüber dem aus Stäben aufgebauten Reflektor mit C_R, so wird ^r = P'Cρ und der Wellenwiderstand des Strahlers

Z_SE = 60 · 1 η 4 · aß ■ ΐ/^Ι — φ",

ίο wobei Z_SR den Wellenwiderstand des Strahlers bei Anwesenheit eines aus Stäben aufgebauten Reflektors bedeutet und α den Abstand zwischen Strahler und Reflektorstab darstellt. Der Fußpunktswiderstand des Strahlers bei Anwesenheit einer aus Stäben bestehenden Reflektorwand berechnet sich dann aus Z_lR = Z_Sn 1196. In ähnlicher Weise könnte auch die Veränderung der Induktivität des Strahlers bei Anwesenheit einer geschlossenen Fläche bzw. eines Stabreflektors berücksichtigt werden. Dies ist aber bei der

ao Verwendung von Wellenlängendipolen praktisch nicht erforderlich, weil die Veränderung der Induktivität nur eine geringe Rolle spielt.

Aus dem vorstehend beschriebenen Beispiel geht hervor, daß ein Reflektor verwendet wird, der aus nicht abgestimmten Stäben aufgebaut ist, von denen je einer einer bestimmten Zeile von Strahlern zugeordnet ist. Ein Reflektor dieser Art weist gegenüber Reflektoren, die durch eine geschlossene Fläche oder eine größere Anzahl von Stäben dargestellt werden, den Vorteil auf, daß der störende Einfluß der diffusen Reflexion, d. h. Schwächung der in der Hauptstrahlachse ausgestrahlten Energie und Beeinflussung der Phasengleichheit der einzelnen Strahler, weitgehend vermieden wird. Die Stäbe sind, in bestimmtem Abstand hinter den Strahlern jeweils in verschiedenen Ebenen parallel zur Hauptstrahlrichtung einerseits und in einer gemeinsamen Ebene im bestimmten Abstand hinter der Strahlerwand andererseits angebracht, wie es in Abb. 2 im Schnitt dargestellt ist.

Bei der Anordnung dieser Art fällt die Wirkung gegenüber den Nadhbarelementen praktisch nicht mehr ins Gewicht. Infolgedessen stimmt das Diagramm in der Hauptstrahlrichtung fast genau mit dem theoretisch gefundenen überein, wie in Abb. 3 dargestellt ist.

Bei einer Strahlerwand mit einzelnen Reflektoren bleibt zwar eine gewisse Rückstrahlung bestehen. Diese Rückstrahlung ist aber nicht so stark, daß die Energie in der Hauptstrahlrichtung etwa geringer würde als die Energie in der Hauptstrahlrichtung bei Verwendung einer geschlossenen Fläche, weil dort ein großer Anteil an Energie diffus aus der Hauptstrahlrichtung wegreflektiert wird. Bei Verwendung einer Strahlerwand mit einzelnen Reflektoren für jede Strahlerzeile kann die rückgestrahlte Energie unter Beibehaltung des Vorteils von Phasengleichheit bezüglich der Hauptstrahlrichtung durch eine besondere, in der Rückrichung angeordnete Strahlerwand abgefangen werden, die mit Ohmschen Widerständen abgeschlossen ist. An Stelle dieser Strahlerwand kann auch ein anderes absorbierendes Material in der Rückstrahlrichtung angebracht werden. Darüber hinaus kann die rückgestrahlte Energie dazu nutzbar gemacht werden, eine Anzeige über die Strahlungsintensität zu betätigen. Eine derartige Signalisierung ist z. B. bei vollautomatisch betriebenen Anlagen zweckmäßigerweise zu verwenden. Aus konstruktiven oder elektrischen Gründen können selbstverständlich die Strahler auch über Transformationsglieder an das

Speiseleitungssystem angeschlossen oder innerhalb

des Speiseleitungssystems an Verteilpunkten Verteilköpfe, die gleichzeitig als Transformationsglieder wirken, verwendet werden, es kommt nur darauf an, daß der übertragene Widerstand an die Strahler gut angepaßt ist. Das vorstehend beschriebene System kann auch bei Strahlern anderer Art angewendet werden. Es läßt sich überall dort benutzen, wo< mehrere Strahler phasengleich zwecks Erhöhung der Bündelung parallel geschaltet werden sollen.

T-.

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Anordnung zur gleichphasigen Erregung einer Vielzahl von mit Reflektoren versehenen Einzelstrahlern mit Anpassung der End- und Zuleitungen des Speiseleitungssystems an die Einzelstrahler und Verzweigungspunkte, dadurch gekennzeichnet, daß die bekanntermaßen elektrisch gleich langen Leitungsabschnitte gleichen Wellenwiderstandes von dem Vielfachen einer Viertel-

wellenlänge wesentlich verschieden sind und der Reflektor so ausgebildet ist, daß eine Beeinflussung der Phasenbedingungen der Einzelstrahler durch diffuse Reflexion vermieden ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Zeile von Strahlern nur ein Reflektorstab zugeordnet ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rückstrahlung durch eine Absorptionsfläche unterdrückt wird.

4. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, dadurch gekennzeichnet, daß die aufgefangene Energie der Rückstrahlung zu einer Anzeige der Strahlungsenergie und für Signalisierungszwecke benutzt wird.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 940 910;
österreichische Patentschrift Nr. 113 125.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 699/394 12.58