DE1273013B

DE1273013B - Directional antenna with switchable radiation pattern

Info

Publication number: DE1273013B
Application number: DE1963C0028974
Authority: DE
Inventors: Erich Spitz
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1962-01-25
Filing date: 1963-01-23
Publication date: 1968-07-18
Also published as: GB1035513A; FR1320165A

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLANDFEDERAL REPUBLIC OF GERMANY

DEUTSCHESGERMAN

PATENTAMTPATENT OFFICE

AUSLEGESCHRIFTEDITORIAL

Int. Cl.: Int. Cl .:

HOIqHOIq

Deutsche Kl.: 21 a4-46/01 German class: 21 a4- 46/01

Nummer: 1273 013Number: 1273 013

Aktenzeichen: P 12 73 013.1-35 (C 28974)File number: P 12 73 013.1-35 (C 28974)

Anmeldetag: 23. Januar 1963 Filing date: January 23, 1963

Auslegetag: 18. Juli 1968Opening day: July 18, 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne mit umschaltbarem Strahlungsdiagramm, mit einem strahlenden Halbwellendipol und mit einem strahlungsgekoppelten Element, in dessen Mitte ein elektrisch veränderbarer Blindwiderstand zur Veränderung der elektrischen Länge des strahlungsgekoppelten Elements angeordnet ist.The invention relates to a directional antenna with a switchable radiation pattern, with a radiating half-wave dipole and with a radiation-coupled element in its center electrically variable reactance to change the electrical length of the radiation-coupled Element is arranged.

Bekanntlich erzielt man eine Richtwirkung in der senkrecht zur Dipolachse stehenden Ebene dadurch, daß dem Dipol ein strahlungsgekoppeltes Element hinzugefügt wird, das gewöhnlich ein Metallstab ist, der parallel zu dem Dipol und symmetrisch in bezug auf dessen Symmetrieebene in einem Abstand von etwa einem Zehntel der Betriebswellenlänge angeordnet ist.It is well known that a directional effect in the plane perpendicular to the dipole axis is achieved by that a radiation-coupled element is added to the dipole, which is usually a metal rod, which is parallel to the dipole and symmetrical with respect to its plane of symmetry at a distance of about a tenth of the operating wavelength is arranged.

Man efhält ein Strahlungsmaximum in einer senkrecht zum Dipol stehenden Richtung mit verhältnismäßig kleinen Sekundärzipfeln, wenn die elektrische Länge des strahlungsgekoppelten Elements in der Nähe der halben Wellenlänge liegt. Es gibt dann zwei Möglichkeiten: Wenn diese Länge etwas kleiner als die halbe Wellenlänge ist, liegt das Strahlungsmaximum des Dipols auf der gleichen Seite wie das strahlungsgekoppelte Element; dieses heißt dann Direktor. Wenn dagegen diese Länge etwas größer als die halbe Wellenlänge ist, liegt das Strahlungsmaximum auf der dem strahlungsgekoppelten Element abgewandten Seite des Dipols, und das strahlungsgekoppelte Element wird dann Reflektor genannt.One maintains a radiation maximum in a perpendicular Direction standing to the dipole with relatively small secondary lobes, if the electrical Length of the radiation-coupled element is close to half the wavelength. Then there are two Possibilities: If this length is a little less than half the wavelength, the radiation maximum of the dipole is on the same side as that radiation-coupled element; this is then called the director. If, on the other hand, this length is a little larger than half the wavelength, the radiation maximum lies on that of the radiation-coupled Element facing away from the dipole, and the radiation-coupled element then becomes a reflector called.

Durch Veränderung der elektrischen Länge des strahlungsgekoppelten Elements zwischen zwei Werten, von denen der eine etwas kleiner und der andere etwas größer als die halbe Wellenlänge ist, ist es daher möglich, dieses Element wahlweise als Direktor oder als Reflektor arbeiten zu lassen und dadurch die Richtung des Strahlungsmaximums umzuschalten.By changing the electrical length of the radiation-coupled element between two values, one of which is slightly smaller and the other slightly larger than half the wavelength, it is therefore possible to let this element work either as a director or as a reflector and thereby to switch the direction of the radiation maximum.

Bei Antennen der eingangs angegebenen Art erfolgt die Veränderung der elektrischen Länge durch die Änderung eines in der Mitte des strahlungsgekoppelten Elements angeordneten Blindwiderstand^. Bei einer bekannten Antenne ist dieser Blindwiderstand durch eine Induktivität realisiert, deren Größe durch die Änderung der Permeabilität eines ferromagnetischen Kerns verändert werden kann. Durch Anwendung dieser Maßnahme bei einem aktiven Dipol und mehreren strahlungsgekoppelten Elementen ist es möglich, eine umlaufende Strahlungskeule durch eine rein elektrische Steuerung zu erhalten.In the case of antennas of the type specified above, the electrical length is changed by changing one in the center of the radiation-coupled Element arranged reactance ^. In a known antenna, this is Reactance realized by an inductance, the size of which is determined by the change in permeability a ferromagnetic core can be changed. By applying this measure at an active dipole and several radiation-coupled elements, it is possible to create a rotating one Obtain radiation lobe by a purely electrical control.

Mit dieser bekannten Maßnahme ist jedoch eine schnelle Umschaltung des Strahlungsdiagramms RichtantenneWith this known measure, however, the radiation diagram can be switched over quickly Directional antenna

mit umschaltbarem Strahlungsdiagrammwith switchable radiation diagram

Anmelder:Applicant:

CSF-Compagnie Generale de Telegraphie sans FiI, ParisCSF-Compagnie Generale de Telegraphie sans FiI, Paris

Vertreter:Representative:

Dipl.-Ing. E. Prinz,Dipl.-Ing. E. Prince,

Dr. rer. nat. G. HauserDr. rer. nat. G. Hauser

und Dipl.-Ing. G. Leiser, Patentanwälte,
¹S 8000 München-Pasing, Ernsbergerstr. 19and Dipl.-Ing. G. Leiser, patent attorneys,
¹ S 8000 Munich-Pasing, Ernsbergerstr. 19th

Als Erfinder benannt:
Erich Spitz, ParisNamed as inventor:
Erich Spitz, Paris

Beanspruchte Priorität:Claimed priority:

Frankreich vom 25. Januar 1962 (885 863) - -France of January 25, 1962 (885 863) - -

zwischen zwei entgegengesetzten Richtungen nicht möglich, weil die veränderliche Induktivität eine zu große Zeitkonstante infolge der zur Flußänderung erforderlichen Zeit aufweist. Ferner ergibt die Verwendung einer sättigbaren Reaktanz den Nachteil, daß dauernd Energie zur Aufrechterhaltung des Sättigungsflusses verbraucht wird und daß zur Umschaltung eine große Leistung benötigt wird.not between two opposite directions possible because the variable inductance has too large a time constant due to the change in flux required time. Furthermore, the use of a saturable reactance results in the disadvantage that energy is continuously consumed to maintain the saturation flow and that for switching a great effort is needed.

Es ist andererseits bekannt, bei Richtantennen eine schnellere Umschaltung der Strahlungsrichtung dadurch zu erreichen, daß mehrere Einzelantennen über regelbare Phasenschieber angeschlossen sind, deren Kapazitäten durch Halbleiterdioden realisiert sind, die durch eine Steuerspannung in der Sperrrichtung vorgespannt sind. Diese Lösung erfordert jedoch einen beträchtlichen Aufwand an Einzelantennen und Schaltungselementen.On the other hand, it is known for directional antennas to switch the radiation direction more quickly can be achieved by connecting several individual antennas via adjustable phase shifters, whose capacities are realized by semiconductor diodes, which are controlled by a control voltage in the reverse direction are biased. However, this solution requires a considerable amount of individual antennas and circuit elements.

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne der eingangs angegebenen Art, die mit geringem Aufwand und kleinem Leistungsverbrauch eine sehr schnelle Umschaltung des Strahlungsdiagramms ermöglicht. The aim of the invention is to provide an antenna of the type specified, which with little Effort and low power consumption enables very fast switching of the radiation diagram.

Nach der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß der veränderliche Blindwiderstand in an sich bekannter Weise durch eine Halbleiterdiode realisiertAccording to the invention, this is achieved in that the variable reactance in itself realized in a known way by a semiconductor diode

809 570/208809 570/208

ist, die durch eine veränderliche Steuerspannung in der Sperrichtung vorgespannt ist.which is reverse biased by a variable control voltage.

Die mit der Erfindung erzielte Wirkung beruht darauf, daß die in der Sperrichtung vorgespannte Halbleiterdiode eine Kapazität besitzt, die von der an ihre Klemmen angelegten Steuerspannung abhängig ist. Zur Umschaltung genügt eine sehr kleine Leistung, und die Umschaltung kann in außerordentlich kurzer Zeit erfolgen. Da ferner kein Strom durch die Diode fließt, ist der Energieverbrauch im stationären Zustand praktisch Null; im Augenblick der Umschaltung wird nur die zur Ladungsänderung erforderliche geringe Elektrizitätsmenge benötigt. The effect achieved by the invention is based on the fact that the biased in the blocking direction Semiconductor diode has a capacitance that depends on the control voltage applied to its terminals is. A very small amount of power is sufficient for switching, and the switching can be extraordinary be done in a short time. Furthermore, since no current flows through the diode, the power consumption is in the steady state practically zero; at the moment of switching only the for Change of charge required small amount of electricity required.

Ein weiterer Vorteil der erfindungsgemäßen Lösung besteht darin, daß die Halbleiterdiode infolge ihrer sehr kleinen Abmessungen vollständig in das strahlungsgekoppelte Element eingefügt werden kann, so daß der mechanische Aufbau der Antenne dadurch in keiner Weise beeinträchtigt wird. aoAnother advantage of the solution according to the invention is that the semiconductor diode as a result their very small dimensions can be completely inserted into the radiation-coupled element can, so that the mechanical structure of the antenna is not affected in any way. ao

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnung beispielshalber erläutert. Darin zeigenThe invention is explained by way of example with reference to the drawing. Show in it

F i g. 1 und 2 schematische Darstellungen zur Erläuterung des Prinzips der Erfindung undF i g. 1 and 2 are schematic representations to explain the principle of the invention and

Fig. 3 eine schematische Schnittansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung.3 is a schematic sectional view of a Embodiment of the invention.

In F i g. 1 und 2 sind ein Dipol 1 und ein strahlungsgekoppeltes Element 2 im Längsschnitt dargestellt. In den beiden Darstellungen hat der Dipol 1 jeweils die gleiche Länge. Die Länge Z₁ des strahlungsgekoppelten Elements 2 von F i g. 1 ist kleiner als λ/2, wenn λ die Betriebswellenlänge ist. In diesem Fall wirkt das Element 2 als Direktor. Die Strahlungskeule ist in der Äquatorialebene gezeichnet. Der die maximale Richtwirkung anzeigende Strahl ζ steht senkrecht zu der Anordnung und ist in der Zeichnung nach unten gerichtet.In Fig. 1 and 2, a dipole 1 and a radiation-coupled element 2 are shown in longitudinal section. In the two representations, the dipole 1 has the same length in each case. The length Z _{1 of} the radiation-coupled element 2 of FIG. 1 is less than λ / 2 when λ is the operating wavelength. In this case, element 2 acts as a director. The radiation lobe is drawn in the equatorial plane. The beam ζ indicating the maximum directivity is perpendicular to the arrangement and is directed downwards in the drawing.

Bei der Anordnung von F i g. 2 ist die Länge Z₂ des strahlungsgekoppelten Elements größer als A/2. Die Strahlung erfolgt in der Richtung z', die in der Zeichnung nach oben gerichtet ist.In the arrangement of FIG. 2, the length Z _{2 of} the radiation-coupled element is greater than A / 2. The radiation takes place in the direction z ', which is directed upwards in the drawing.

Die beiden Strahlungsdiagramme sind in vollen Linien dargestellt. Das gestrichelt gezeichnete Strahlungsdiagramm entspricht dem Strahlungsdiagramm des Dipols ohne strahlungsgekoppeltes Element.The two radiation diagrams are in full Lines shown. The radiation diagram shown in dashed lines corresponds to the radiation diagram of the dipole without a radiation-coupled element.

Aus vorstehender Erläuterung ist ersichtlich, daß die Richtung der maximalen Strahlung in die entgegengesetzte Richtung dadurch geschwenkt werden kann, daß die Länge des strahlungsgekoppelten Elements von einem Wert Z₁, der etwas kleiner als 2/2 ist, auf einen Wert/, geändert wird, der etwas größer als λ/2 ist.From the above explanation it can be seen that the direction of the maximum radiation can be pivoted in the opposite direction by changing the length of the radiation-coupled element from a value Z ₁ , which is slightly less than 2/2, to a value /, which is slightly larger than λ / 2 .

Diese Änderung kann systematisch und abwechselnd derart erfolgen, daß die Strahlungskeulen zwischen zwei entgegengesetzten Richtungen umgeschaltet werden.This change can take place systematically and alternately in such a way that the radiation lobes can be switched between two opposite directions.

F i g. 3 zeigt eine Anordnung, mit der die Änderung der elektrischen Länge des strahlungsgekoppelten Elements 2 auf rein elektrischem Wege ermöglicht wird. Das strahlungsgekoppelte Element 2 ist etwas kurzer als der Dipol 1, und in seine Mitte ist eine Halbleiterflächendiode 21 eingefügt, deren Zonen bei N und P angedeutet sind. Hierfür kann eine handelsübliche Siliziumdiode verwendet werden, die den gleichen Durchmesser wie der das strahlungsgekoppelte Element 2 bildende Metallstab hat.F i g. 3 shows an arrangement with which the change in the electrical length of the radiation-coupled element 2 is made possible in a purely electrical manner. The radiation-coupled element 2 is somewhat shorter than the dipole 1, and a semiconductor surface diode 21 is inserted in its center, the zones of which are indicated at N and P. A commercially available silicon diode can be used for this, which has the same diameter as the metal rod forming the radiation-coupled element 2.

Bei diesen Dioden ist die Änderung des Blindwiderstands die Folge einer Änderung der Raumladung in der neutralen Zone der Sperrschicht. Die Diode wird stets in der Sperrichtung vorgespannt. Die Kapazität liegt bei der Spannung 0 in der Größenordnung von 4pF. Die Kapazitätsänderung ist bei der Spannung 0 am größten; sie liegt in der Größenordnung von — lpF/V bei Vorspannung in der Sperrichtung.With these diodes, the change in reactance is the result of a change in the space charge in the neutral zone of the barrier layer. The diode is always reverse biased. At voltage 0, the capacitance is in the order of 4pF. The change in capacitance is greatest at voltage 0; it is in the order of magnitude of - lpF / V with bias in the blocking direction.

Zur Erzielung der Kapazitätsänderung sind die beiden Zonen N und P der Diode mit den beiden Klemmen eines Generators 20 über zwei Selbstinduktivitäten 22 und 23 verbunden, die für eine Wellenlänge von 10 cm aus drei oder vier Windungen von 5 mm Durchmesser bestehen.To achieve the change in capacitance, the two zones N and P of the diode are connected to the two terminals of a generator 20 via two self-inductors 22 and 23, which consist of three or four turns of 5 mm diameter for a wavelength of 10 cm.

Der Generator 20 gibt Rechtecksignale mit zwei Amplitudenwerten ab: Der Amplitudenwert F₁ entspricht einer Impedanz, bei welcher das Element 2 die Länge Z₁ hat, während der Amplitudenwert F₂ der Länge Z₂ entspricht.The generator 20 outputs rectangular-wave signals from two amplitude values: the amplitude value F ₁ corresponds to an impedance, in which the element 2, the length Z ₁ has, while the amplitude value F ₂ corresponds to the length Z _2nd

Es ist keine Entkopplungskapazität erforderlich, weil die beiden Hälften des strahlungsgekoppelten Elements 2 ohne Nachteil auf verschiedenen Potentialen liegen können.No decoupling capacitance is required because the two halves of the radiation-coupled Elements 2 can be at different potentials without disadvantage.

Bei der Spannung F₁ = O wird die Länge des strahlungsgekoppelten Elements 2 so eingestellt, daß es als Direktor arbeitet. Die Erfahrung zeigt, daß eine Spannung von F₂ = 5 Volt (in der Sperrichtung) ausreicht, damit das strahlungsgekoppelte Element 2 als Reflektor unter den günstigsten Bedingungen arbeitet.At the voltage F ₁ = 0, the length of the radiation-coupled element 2 is adjusted so that it works as a director. Experience shows that a voltage of F ₂ = 5 volts (in the reverse direction) is sufficient for the radiation-coupled element 2 to work as a reflector under the most favorable conditions.

Infolge der Verwendung eines Rechtecksignalgenerators kann eine sehr schnelle Schaltfolge erhalten werden. Man kann die Strahlungskeulen zwischen zwei entgegengesetzten Richtungen mit einer Schaltfrequenz in der Größenordnung von mehreren Megahertz umschalten.The use of a square wave generator can result in a very fast switching sequence can be obtained. One can use the radiation lobes between two opposite directions a switching frequency on the order of several megahertz.

Die für die Umschaltung erforderliche Leistung des Rechtecksignalgenerators ist sehr gering, weil die Diode stets in der Sperrichtung vorgespannt ist.The power of the square wave generator required for switching is very low because the Diode is always reverse biased.

Claims

Patent claims:

1. Directional antenna with switchable radiation pattern, with a radiating half-wave dipole and with a radiation-coupled element with an electrically changeable element in the middle Reactance to change the electrical length of the radiation-coupled Element is arranged, characterized in that that the variable reactance is realized in a manner known per se by a semiconductor diode, which by a variable Control voltage is biased in the reverse direction.

2. Directional antenna according to claim 1, characterized in that the variable control voltage is a square wave voltage.

Considered publications:
German Auslegeschrift No. 1043 424;
U.S. Patent No. 2761134.

1 sheet of drawings