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Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische
Wellen, welche aus einem Primärstrahler und einer davon erregten langen Reihe von
ring- oder rahmenartigen Sekundärstrahlern besteht. Eine lange Reihe aus parallelen
Metallringen stellt bei geeigneter Bemessung eine wellenführende Struktur dar und
bündelt eine entlanglaufende elektromagnetische Welle in axialer Richtung. Die Anregung
erfolgt dabei in Dipoltyp, jedoch sind auch andere Wellentypen möglich. Die Phasengeschwindigkeit
der fortschreitenden Oberflächenwelle ist aber immer etwas kleiner als die Lichtgeschwindigkeit,
und außerdem sind auch elektrische Feldkomponenten in der Ausbreitungsrichtung vorhanden.
Gegenüber den bekannten, etwa gleiche elektrische Ergebnisse liefernden Leitscheibenantennen
aus strahlungsgekoppelten Metallscheiben haben derartige Antennen aus Metallringen
den Vorteil, daß sie vor allem im Bereich der Dezimeter- und Meterwellen einen geringeren
Materialaufwand erfordern und somit ein geringeres Gewicht haben. Außerdem ist diese
Rahmenstruktur hinsichtlich des Widerstandes wesentlich günstiger.
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Für Ultrakurzwellen ist eine ähnliche Antennenanordnung aus wenigen
Rahmen bereits als Richtantennenanlage bekannt. Wesentliches Merkmal dieser bekannten
Anordnung ist, daß die einzelnen Rahmen auf die Betriebsfrequenz abgestimmt sind.
Die Rahmen sind dabei in der Hauptstrahlungsrichtung vor und hinter dem unmittelbar
mit der Speisungsleitung verbundenen Rahmen angeordnet und stellen diskrete Sekundärstrahlen
dar. Die Abstimmung der strahlungsgekoppelten Rahmen auf die Betriebsfrequenz geschieht
hierbei in der Weise, daß der Rahmen an einer Stelle seines Umfangs unterbrochen
und dort mit einem vom Strahlungsfeld entkoppelten Abstimmbügel versehen ist.
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In der Praxis zeigt sich, daß mit den vorstehend geschilderten bekannten
Rahmenantennen für Ultrakurzwellen zufriedenstellende Eigenschaften, z. B. ein zufriedenstellendes
Strahlungsdiagramm und eine geeignete Eingangsimpedanz, nur in einem relativ schmalen
Frequenzbereich erhalten werden können und daß die einzelnen Rahmen für verschiedene
Frequenzen unterschiedlich abgestimmt werden müssen.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf
dem es möglich ist, vor allem diesen Schwierigkeiten in einfacher Weise zu begegnen.
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Diese Aufgabe wird bei einer Antennenanordnung für kurze und sehr
kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Primärstrahler und mit diesem
strahlungsgekoppelten rahmenartigen Sekundärstrahlern, gemäß der Erfindung in der
Weise gelöst, daß eine vorzugsweise mehrere Wellenlängen lange Reihe von Sekundärstrahlern
vorgesehen ist, deren Umfang kleiner als eine Wellenlänge (A) im freien Raum, insbesondere
zwischen 0,9 und 0,5 A, gewählt ist.
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Vorteilhaft kann der Rahmen eines Sekundärstrahlers die Form eines
Kreisringes haben, da dann die Reihe außer linear auch elliptisch oder zirkular
polarisierter Wellen gut gebündelt ist. Die Dicke des Ringleiters ist etwa A/ l00
oder größer.
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Die Sekundärstrahler können zur besseren Richtwirkung auch in mehreren
nebeneinander verlaufenden Reihen angeordnet werden. Hierbei läßt sich eine wesentliche
Vereinfachung in der Speisung dadurch erreichen, daß an den Reihen der Sekundärstrahler
eine Gabelung vorgesehen ist.
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Zur Speisung kann jede schwach gebündelte Richtantenne dienen, in
deren Strahlungsfeld die erfindungsgemäß ausgebildete Sekundärstrahlerreihe angeordnet
ist.
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Eine besonders einfache Speisung der Sekundärstrahlerstruktur ist
in der Weise möglich, daß wenigstens ein Teil der Sekundärstrahler den als aufgeweitete
Doppelleitung ausgebildeten Primärstrahler umschließt.
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Die Halterung der Sekundärstrahler erfolgt bei Verwendung derselben
im Gebiet sehr kurzer elektromagnetischer Wellen durch Lagerung in dielektrischem
Material. Dieses dielektrische Material wird zweckmäßig derart gewählt, daß die
Verluste gering sind und die relative Dielektrizitätskonstante möglichst nahe Eins
ist. Besonders einfach läßt sich dies erreichen, wenn als dielektrisches Material
ein geschäumtes Dielektrikum verwendet wird.
Nachstehend - wird
die Erfindung - an Hand von Ausführungsbeispielen näher erläutert.
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In der Fig. 1 besteht der Primärstrahler aus einem rechteckigen Hohlleiter
1, der in einen kleinen Hornstrahler 2 übergeht. Davor ist eine Reihe- paralleler
Metallringe 3 angeordnet. Die nachstehend als Leitringe bezeichneten rahmenartigen
Sekundärstrahler haben Kreisform. Im elektrischen Verhalten entspricht ein einzelner
Leitring etwa einer Leitschraube, wie sie von der Leitscheibenantenne her bekannt
ist. Diese Leitringe sind jedoch im Durchmesser etwas kleiner als Leitscheiben und
für längere Wellen wegen des geringeren Materialaufwandes, Gewichtes und Windwiderstandes
günstiger. Die Form -der Leitringe muß nicht so, wie in der Fig.-1 gezeigt, kreisförmig,
sondern kann auch quadratisch oder rechteckig sein. Rechteckige Leitringe nähern
sich in ihren Eigenschaften mehr den sogenannten Leitdipolen, wie sie bei den unter
dem Namen Yagi-Antennen bekannten Richtantennen gebräuchlich sind. Außerdem sind
für die Sekundärstrahler auch Formen nach Art einer Ellipse oder eines Rhombus möglich.
Wesentlich ist jedoch, daß der Umfang des einzelnen Leitringes bzw. Sekundärstrahlers
kleiner als eine Wellenlänge ist. In diesem Fall entsteht bei Anregung im Dipolwellentyp
in dem Sekundärstrahler ein Ringstrom, wie er in der Fig. 2 gezeigt ist, die in
Vorderansicht einen Sekundärstrahler in Kreisringform wiedergibt. Der Außendurchmesser
des Leitringes ist mit D bezeichnet. Die in Richtung des elektrischen Feldvektors
gegenüberliegenden Teile des Ringes haben entgegengesetzte Spannungen, und die eingezeichneten
Pfeile geben die Richtung des Stromes im- Ring. an. Das Diagramm eines derartigen
Sekundärstrahlers ist schematisch in der Fig. 3 wiedergegeben, in der die Feldstärkewerte
in Dezibel mit eingetragen sind.
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Der besonderen Bemessung der erfindungsgemäßen Sekundärstrahler liegen
folgende Untersuchungen und Erkenntnisse zugrunde. Geht man von einer Sekundärstrahlerstruktur
mit kreisringförmigem Rahmen aus, wie sie beispielsweise in einem kurzen Abschnitt
in der Fig. 4 wiedergegeben ist, so läßt sich feststellen, daß für einen bestimmten
Wert des Abstandes l aufeinanderfolgender Kreisringe ein Verzögerungsmaß v/c für
die in Achsrichtung der Antennenanordnung sich ausbreitende Wellen gegeben ist,
wie es in der Fig. 5 für zwei verschiedene Ringabstände eingezeichnet ist. Auf der
Abszisse des Schaubildes der Fig. 5 ist hierbei das'Verhältnis DIA aufgetragen.
Es ist erkennbar, daß die Phasengeschwindigkeit v mit zunehmendem Durchmesser abnimmt
und die entlanglaufende Welle den Charakter einer geführten Oberflächenwelle hat.
Für die gestrichelt eingetragene Kurve wurde ein Wert von l=0,313 A; zugrunde gelegt.
Wird der Ringabstand weiter verringert, z. B. auf l=0,125.?, so bleibt die Grundform
der Kurve, die für diese Verhältnisse in der Fig. 5 stark ausgezogen eingezeichnet
ist, .erhalten, nur erscheint die ganze Kurve nach niedrigeren v/c-Werten verschoben.
Das Charakteristikum eines starken Abfalls für einen D/2.-Wert, für den der Umfang
des Sekundärstrahlers einer Wellenlänge entspricht, ist allen Kurven gemeinsam und
bedeutet eine Sperrung der Oberflächenwelle längs der Struktur. Will man ein möglichst
gleichmäßiges Verhalten der Gesamtantenne in einen weiten Frequenzbereich erreichen,
so empfiehlt es sich, nur den Teil der Kurven auszunutzen, der durch D/Z,-Werte
kleiner als etwa 0,i8 gegeben ist. Es entspricht dies einem maximalen Umfang von
etwa 0;9 2.. Andererseits ist es jedoch nicht zweckmäßig, den Umfang des Sekundärstrahlers
wesentlich kleiner als ' etwa 0,5 .1 zu wählen, weil nämlich dann die wellenführenden
Eigenschaften weitgehend verlorengehen. Die genaue Bemessung der Leitringreihe erfolgt
entsprechend der Phasengeschwindigkeit längs der Struktur -und -.kann nach den bekannten
Regeln für Längsstrahler mit fortschreitender Oberflächenwelle geschehen. Die Bündelung
und der Gewinn nehmen mit der Strukturlänge L zu, und angenähert gilt für die Halbwertsbreite
a des Hauptstrahles in Grad: a = 50 ;t/z .
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Das an Hand der Fig. 4 und 5 für eine Leitringstruktur mit Kreisform
ausgeführte gilt sinngemäß auch für Sekundärstrahlerstrukturen mit hiervon abweichender
Form: Die Anregung einer Sekundärstrahleranordnung, wie sie beispielsweise in der
Fig. 4 gezeigt ist, kann vorteilhaft, so wie in der Fig: 6 angedeutet, erfolgen.
Zur Anregung dient eine Wendelantenne mit zwei Windungen, die vor einer Reflektorwand,
beispielsweise mit einem Durchmesser von einer Wellenlänge, angeordnet ist. Die
Wendelantenne wird in üblicher Weise durch eine Koaxialleitung gespeist, deren Außenleiter
in die Reflektorfläche übergeht und deren Innenleiter in den Wendeldraht ausläuft.
Vor der Wendelantenne sind die Leitringe angeordnet, und zwar in zwei Gruppen, für
deren jede die Abmessung D des einzelnen Leitringes unterschiedlich ist. Für die
der Wendelantenne benachbarte Gruppe gilt D=0;28 2., und für die davon abliegende
Gruppe gilt D=0,27 .1. Diese Art der Ausbildung hat den Vorteil, daß die
Phasengeschwindigkeit entlang der Struktur abnimmt und ähnlich wie bei den zugespitzten
dielektrischen Stielstrahlern die Nebenmaxima vermindert werden.
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Die Anpassung, der Gewinn und das Strahlungsdiagramm sind gut und
relativ frequenzunabhängig. Die Bandbreite beträgt etwa 25 bis 30°/n Weiterhin ist
hierbei zu beachten, daß die Antenne wegen des als Wendelantenne ausgebildeten Primärstrahlers
mit Zirkularpolarisation arbeitet.
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Ein etwa gleichartiges Verhalten für lineare Polarisation läßt sich
dadurch erreichen, daß an Stelle der Wendelantenne ein Hornstrahler z. B. mit 0,65-0,72
A Öffnung als Primärstrahler verwendet wird (s. Fig.1). In diesem Falle empfiehlt
es sich, dem Hornstrahler benachbart eine Reihe von z. B. acht Leitringen mit D=0,28
A, und darauffolgend eine Reihe von z. B. fünf Leitringen mit D=0;27 .1 vorzusetzen,
wobei der Leitringabstand Z jeweils etwa 0,313 # beträgt. Während bei der in der
Fig. 6 gezeigten Anordnung unter Zugrundelegung der angegebenen Werte die Gewinnzunahme
durch die vorgesetzte Leitringstruktur etwa 10 db beträgt, nimmt der Gewinn bei
der letztbeschriebenen Anordnung nur um etwa 8 db zu, da der Hornstrahler allein
schon einen größeren Gewinn hat als die kurze Wendelantenne.
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Zur Gewinnsteigerung und Verminderung der Nebenmaxima können weitere
strahlungsgekoppelte Reihen hinzugefügt werden. In manchen Fällen ist es vorteilhaft,
die Nebenreihen nicht absolut parallel zu der Hauptreihe zu führen, sondern die
Reihen etwa gabelartig- zueinander verlaufen zu lassen. Eine derartige Anordnung
ist in der Fig. 7 gezeigt. Als Primärstrahler dient in diesem Fäll ein vor einer
großen quadratischen Reflektorwand angeordneter A/2-Dipol. In der Hauptstrahlungsrichtung
folgt auf den 2,/2-Dipol zunächst ein gemeinsamer Leitring. Die Sekundärstrahlerstruktur
gabelt sich dann ein erstes Mal in zwei unter einem spitzen Winkel zueinander verlaufende
Reihen
von Sekundärstrahlern, die dann in einiger Entfernung vom Primärstrahler so weit
auseinandergeführt sind, daß eine dritte Reihe von Leitringen zwischen ihnen angeordnet
werden kann. Die Dimensionierungswerte sind als Beispiel in der Fig. 7 eingetragen.
Erwähnungswert ist, daß der Gewinnzuwachs in diesem Fall etwa 9 db beträgt und ein
Strahlungsdiagramm in der elektrischen Ebene (E-Ebene) erhalten wird, wie es in
der Fig. 8 wiedergegeben ist. Auch die ersten Nebenmaxima liegen in diesem Fall
schon 20 db unter dem Wert des Strahlungsdiagramms in der Hauptstrahlungsrichtung.
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Die vorstehend erwähnten Speisungsarten für die Sekundärstrahlerstruktur
sind vor allem für den Bereich kürzerer Wellenlängen geeignet. Für etwas längere
Wellen kann die Verbindung der Sekundärstrahlerstrukturen mit der Speiseleitung
vorteilhaft durch eine sich aufweitende bzw. gespreizte Paralleldrahtleitung erfolgen.
Diese Paralleldrahtleitung kann beispielsweise, so wie in der Fig. 9 gezeigt, im
Innern der Leitringe geführt werden. Es empfiehlt sich hierbei, den am Anfang der
Sekundärstrahlerstruktur gelegenen Ring im Durchmesser so groß zu wählen, daß sein
Umfang größer als eine Betriebswellenlänge ist, weil hierdurch dieser Ring die Eigenschaften
eines Reflektors erhält. Die weiteren Ringe sind dann in der einleitend erwähnten
Weise zu dimensionieren. Ein Beispiel für eine vorteilhafte Bemessung ist zahlenmäßig
in der Fig. 9 mit eingetragen. Zur Halterung der Leitringe und der Leitung kann
ebenso wie bei dem vorerwähnten Ausführungsbeispiel ein Dielektrikum dienen, in
das diese Teile eingebettet sind. Eine andere Möglichkeit besteht darin, daß diese
Teile in eine dünne Platte aus Polystyrol oder einem anderen geeigneten Dielektrikum
eingesetzt sind. Bei dem in der Fig. 9 gezeigten Beispiel wird die Verkopplung durch
die Anzahl und Lage der Leitringe sowie durch den Abstand der Drähte der aufgeweiteten
Paralleldrahtleitung bestimmt. Um optimale elektrische Eigenschaften zu erreichen,
ist es allerdings erforderlich, die einzelnen Ringabstände entsprechend unterschiedlich
im Ankopplungsbereich der aufgeweiteten Paralleldrahtleitung zu wählen. Dies ist
vor allem durch kontinuierlich abnehmende Abstände der Leitringe vom Anfang der
Sekundärstrahlerstruktur aus möglich. Die in der Fig. 9 dargestellte Anordnung läßt
beispielsweise ein Strahlungsdiagramm erreichen, wie es in der Fig. 10 wiedergegeben
ist. Die Bündelung ist gegenüber den vorhergehenden Anordnungen deshalb geringer,
weil die fünf von der aufgeweiteten Paralleldrahtleitung durchdrungenen Leitringe
zugleich als Erregersystem wirken. Durch eine längere vorgesetzte Reihe von Leitringen
läßt sich jedoch die Bündelung erheblich steigern.
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Erwähnungswert ist noch, daß die aufgeweitete Paralleldrahtleitung
nicht so, wie in der Fig. 9 gezeigt, innerhalb der Sekundärstrahlerstruktur verlaufen
muß, sondern auch außerhalb derselben, diese umfassend, angeordnet sein kann.
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Eine Verbesserung der an Hand der Fig. 9 erläuterten Speisung bzw.
Verbindung der Antenne mit einer Hochfrequenzleitung läßt sich dadurch erreichen,
daß die Paralleldrahtleitung an ihrem in der Sekundärstrahlerstruktur gelegenen
Ende mit einem Abschlußwiderstand versehen wird, der sicherstellt, daß auf der Leitung
sich nur fortschreitende Wellen ausbilden. Die Gesamtlänge der Leitung und die Anzahl
der Leitringe ist dann größer zu wählen. Dagegen können die Leitungs- und Ringabstände
kleiner gewählt werden. Auch in diesem Fall ist es möglich, die Phasengeschwindigkeit
auf der Speisungsleitung durch dielektrisches Material im Kopplungsbereich so zu
beeinflussen, daß eine gewünschte Verzögerung und kontinuierliche Überkopplung gegeben
ist. Es läßt sich auf diese Weise eine weitgehende frequenzunabhängige Kopplung
zwischen der Hochfrequenzleitung und der Sekundärstrahlerstruktur erreichen. Orientierende
Messungen haben gezeigt, daß in diesem Fall die Bandbreite der Gesamtantenne praktisch
nur durch die Sekundärstrahlerstruktur bestimmt wird und z. B. bei Leitringen, die
in geringem Abstand aufeinanderfolgen, mindestens 30°/0. der mittleren Betriebsfrequenz
beträgt.