DE1516823B2 - Richtantennenanordnung fuer kurze elektromagnetische wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Richtantennenanordnung für kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einer geradzahligen Anzahl von gleichphasig in Parallelspeisung von einem gemeinsamen Speisungspunkt aus gespeisten Halbwellendipolen, von denen je zwei zu einer Baueinheit zusammengefaßt und zueinander parallel verlaufend an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt sind und die nach Art eines Dipolfeldes angeordnet und mit einer gemeinsamen Reflektorwand versehen sind, die als einseitig offener Kastenreflektor, in dem das einzelne Trägerelement drehbar angeordnet ist, mit zumindest angenähert in der Richtung der Trägerelemente verlaufenden Seitenwänden ausgebildet und mit in Form von kurzgeschlossenen λ/4-Leitungen ausgebildeten Stromsperren versehen ist, wenn λ die Wellenlänge für eine Frequenz bedeutet, die im mittleren Bereich des von der Antenne abgestrahlten Frequenzbandes liegt.

Zur Abstrahlung elektromagnetischer Energie im Bereich der kürzeren Meterwellen und der Dezimeterwellen werden häufig Antennen verwendet, die als sogenannte Dipolantennen ausgebildet sind. Zur Erzielung einer größeren Strahlungsbündelung werden dabei mehrere solcher Dipolantennen zu einem Dipolfeld zusammengefaßt und gegebenenfalls mit einer gemeinsamen Reflektorwand versehen, die beispielsweise in Form mehrerer parallel verlaufender Stäbe oder in Form eines leitenden Bleches ausgebildet sein kann.

Bekanntlich wird die Richtcharakteristik derartiger Antennen um so schärfer, und damit der Gewinn der Antenne um so größer, je größer die Anzahl der zu einem gemeinsamen Dipolfeld zusammengeschalteten Dipole ist.

Die Abmessungen der gesamten Richtantennenanordnung liegen dabei etwa in der Größenordnung der zu übertragenden Freiraumwellenlängen, also beispielsweise in einer Größenordnung die kleiner als etwa die

ίο zehnfache Wellenlänge ist. Je nachdem ob die Dipole horizontal oder vertikal ausgerichtet sind, ergibt sich für die abgestrahlte elektromagnetische Welle eine horizontale oder eine vertikale Polarisation. Die Speisung der einzelnen Dipole kann beispielsweise in der Weise erfolgen, daß die von einem Hochfrequenzsender kommende Energie über ein Kabel einem gemeinsamen Speisungspunkt zugeführt wird. An diesen Speisungspunkt können die einzelnen Dipole in Parallelschaltung angeschaltet sein. In diesem Fall muß lediglich dafür gesorgt sein, daß der von den einzelnen Dipolen in den gemeinsamen Speisungspunkt transformierte Widerstand mittels eines Anpassungsnetzwerkes in den Wellenwiderstand des Zuführungskabels transformiert wird. Als Anpassungsnetzwerke eignen sich hierfür insbesondere als sogenannte Leitungstransformatoren ausgebildete Transformationsschaltungen. Für Richtfunkverbindungen, die mit derartigen Antennen arbeiten, ist es unter anderem wesentlich, daß die horizontale Strahlungscharakteristik der Antenne eine möglichst schmale, scharf ausgeprägte Hauptkeule aufweist. Die Nebenkeulen sollen möglichst schwach ausgebildet sein und darüber hinaus soll die sogenannte Rückdämpfung möglichst hoch sein, um Empfangsanlagen, die nicht in der Hauptstrahlungsrichtung der Antenne liegen, möglichst wenig zu stören. Dieses Erfordernis gilt gleichermaßen für horizontale und vertikale Polarisation der Antenne. Bekanntlich wird unter der Rückdämpfung diejenige Dämpfung verstanden, die zwischen 90° und 270° oder zumindest innerhalb dieses Bereiches der Antennencharakteristik auftritt, wobei die Hauptstrahlungsrichtung mit Null Grad bezeichnet ist und die in der Hauptstrahlungsrichtung maximal auftretende Strahlungsleistung als Bezugswert für die Dämpfung zugrunde gelegt wird. Die bekannten Antennenanordnungen dieser Art bringen jedoch die Schwierigkeit mit sich, daß die vorerwähnten Anforderungen nur schwer erfüllbar sind. Insbesondere sind im allgemeinen die Nebenkeulen zu stark ausgeprägt und auch die Rückdämpfung ist nicht groß genug.

Aus der Zeitschrift »Fuba-Spiegel« (1965), Heft 2, S. 26 u. 27 ist bereits eine Richtantennenanordnung für kurze elektromagnetische Wellen bekannt geworden, bei der vier Doppeldipole drehbar vor einer ebenen, ihrerseits wiederum drehbaren Reflektorwand angeordnet sind. Es ist bei dieser Antennenanordnung jedoch die Drehung der einzelnen Doppeldipole nicht ohne gewissen Montage- und Justieraufwand durchzuführen, die Drehung der ganzen Reflektorwand dagegen ist nur mit verhältnismäßig großem Aufwand an zusätzlicher Montage verbunden.

Aus der DT-AS 1117 668 ist ferner eine Antenne mit Ganzwellendipol und mit einem in Abstrahlrichtung offenen kastenförmigen Reflektor bekannt geworden, bei der die Ganzwellendipol in besonderer Form gestützt sind. Bei dieser Antennenanordnung ist jedoch eine Umschaltung der Polarisationsrichtung nicht vorgesehen und es sind dementsprechend die einzelnen Ganzwellendipol auch nicht drehbar an dem Reflektor

angebracht.

Weiterhin ist aus der US-PS 24 60 869 eine Antenne bekannt, deren Reflektorwand als Parabolspiegel ausgebildet und an der Aperturöffnung mit in der Art von kurzgeschlossenen λ/4-Leitungen ausgebildeten kreisringförmigen Stromsperren versehen ist. Es soll durch diese Stromsperren in bekannter Weise verhindert werden, daß die von dem Dipol in dem Reflektor angeregten Flächenströme über den Antennenrand übergreifen ur d zu einer Abstrahlung in den rückwärtigen Raum beitragen. Bei einer für mechanische Anwendungen geeigneten Strahlenanordnung, wie sie aus der DT-AS 10 18 567 bekannt ist, sind zwei an den Längskanten eines V-förrr.igen Trichterstrahlers angebrachte λ/4-Stromsperren vorgesehen.

Es ist ferner aus der »Siemens-Zeitschrift«, September 1958, Heft 9, Seite 649, eine Anordnung bekannt, bei der in einem rechteckigen, kastenförmigen Reflektor die Dipole senkrecht zu den Längswänden des Kastens angeordnet sind. Diese Anordnung lehnt sich an die aus der eben erwähnten deutschen Auslegeschrift hervorgehende Anordnung an. Diese Anordnung hat jedoch den Nachteil, daß bei Drehung der Polarisationsebenen der rechteckförmige Kasten samt den Dipolen gedreht werden muß. '

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine aus einem Dipolfeld und einem rechteckigen Kastenreflektor bestehende Richtantennenanordnung anzugeben, bei der bei bereits fest montiertem Kastenreflektor eine rasche und ohne erheblichen Montageaufwand ausführbare Umstellung der Polarisationsrichtung gewährleistet sein soll, bei der zugleich die horizontale Strahlungscharakteristik eine Hauptkeule mit nur geringer Halbwertsbreite sowie eine hohe Rückdämpfung bei nur geringen Nebenkeulen aufweisen soll und bei der außerdem eine weitgehende Übereinstimmung der vertikalen und der horizontalen Strahlungscharakteristik gewährleistet ist.

Ausgehend von einer Richtantennenanordnung für kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einer geradzahligen Anzahl von gleichphasig in Parallelspeisung von einem gemeinsamen Speisungspunkt aus gespeisten Halbwellendipolen, von denen je zwei zu einer Zweiergruppe zusammengefaßt und zueinander parallel verlaufend an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt sind, wobei die Zweiergruppen nebeneinander oder übereinander in einer Reihe angeordnet und mit einer gemeinsamen Reflektorwand versehen sind, die als einseitig offener rechteckiger Kastenreflektor mit zumindest angenähert in der Richtung der Trägerelemente verlaufenden Seitenwänden ausgebildet ist, wird diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß im Kastenreflektor das einzelne Trägerelement der Dipole drehbar und dabei einrastbar angeordnet ist und daß als kurzgeschlossene λ/4-Leitungen ausgebildete Stromsperren an den Längsseiten des rechteckigen Kastenreflektors angeordnet sind.

Eine einfache Abstimmung der als Stromsperren wirkenden Λ/4-Leitungen läßt sich dadurch erzielen, daß die Länge dieser λ/4-Leitungen mittels eines Kurzschlußschiebers veränderbar ist.

Störungen durch die polarisationsabhängige Kopplung der Dipole lassen sich in einfacher Weise dadurch vermeiden, daß der Kastenreflektor mittels einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Trennwand zumindest einmal unterteilt ist.

Um die Antenne vor Witterungseinflüssen zu schützen, ist es zweckmäßig, wenn die in der Hauptstrahlungsrichtung liegende Seite des Kastenreflektors mittels einer aus dielektrischem Material bestehenden Platte abgedeckt ist.

Anhand eines Ausführungsbeispiels wird nachstehend die Erfindung noch näher erläutert. In der Zeichnung zeigt

die Fi g. 1 schematisch den Aufbau einer Antenne;

Fig.2 einen Querschnitt längs der Schnittlinie A-B von F i g. 1;

Fig.3 eine Ansicht in Richtung des Pfeiles C von Fig.l;

F i g. 4 eine Draufsicht und eine Seitenansicht der zu einer Baueinheit zusammengefaßten Dipole;

F i g. 5 die horizontale Strahlungscharakteristik einer Antenne für horizontale und vertikale Polarisation.

Für die in den F i g. 1 bis 3 dargestellte Richtantennenanordnung sind beispielsweise acht Halbwellendipo-Ie 1 bis 8 verwendet. Dabei sind jeweils die Dipole 1 und 2, 3 und 4, 5 und 6, 7 und 8 zu einer als Dipolzweiergruppe ausgebildeten gemeinsamen Baueinheit zusammengefaßt und an einem gemeinsamen Trägerelement 25 befestigt. Das Trägerelement 25 ist in der Art eines Winkelstückes ausgebildet und die jeweils daran befestigten Dipole verlaufen zueinander parallel. Die einzelnen Baueinheiten sind untereinander gleichartig ausgebildet. Die Trägerelemente 25 sind an ihrer Spitze entlang einer durchgehenden Linie 26 in der Rückwand 27 eines rechteckigen Kastenreflektors 9 befestigt. Die Seitenwände des Kastenreflektors verlaufen in der Richtung der Trägerelemente, und ihre Abmessungen sind so gewählt, daß die Dipole 1 bis 8 eingeschlossen werden. Die Trägerelemente sind im Kastenreflektor drehbar gelagert, so daß die Dipole bei Drehung um 90° gegenüber der in der F i g. 1 gezeichneten Lage für eine vertikale Polarisation ausgerichtet sind. Die zwei sich gegenüberliegenden längeren Seitenwände 28 und 29 des rechteckigen Kastenreflektors 9 sind mit Stromsperren 19 und 20 versehen, die in der Art von kurzgeschlossenen λ/4-Leitungen ausgebildet sind. Hierzu ist zu den Seitenwänden 28 und 29 parallel verlaufend je eine weitere metallische Wand 30 und 31 eingezogen, die über die Kurzschlußwände 21 und 22 mit den seitlichen Begrenzungswänden 28 und 29 kurzgeschlossen sind. Die Kurzschlußwände 21 und 22 haben etwa einen Abstand von λ/4 von der vorderen Begrenzungskante des Reflektorkastens. Die Wellenlänge λ bedeutet dabei die Wellenlänge für eine Frequenz, die im mittleren Bereich des von der Antenne abgestrahlten Frequenzbandes liegt.

Für die Ausrichtung der Dipole senkrecht zu den längeren Seitenwänden 28 und 29 bei der die einzelnen Dipole gegenüber der in der F i g. 1 gezeichneten Lage um 90° gedreht sind, fließen die von den Dipolen im Kastenreflektor angeregten Flächenströme einheitlich in der Richtung oder entgegen der Richtung des Pfeiles C. Wenn die Stromsperren 19 und 20 nicht vorgesehen sind, greifen diese Ströme über die Bänder der Seitenwände 28 und 29 über und tragen zu einer Abstrahlung der Antenne in dem rückwärtigen Raum bei, was eine erhebliche Verringerung der Rückdämpfung zur Folge hat. Dieser Effekt wird durch die Stromsperren 19 und 20 weitgehend unterdrückt, da die metallischen Wände 28 und 30 bzw. 29 und 31 wie kurzgeschlossene λ/4-Leitungen wirken, wodurch an die in Strahlungsrichtung liegende Kante des Kastenreflektors der Widerstand Unendlich transformiert wird. Auf diese Weise wird der Stromfluß über die seitlichen

Begrenzungswände 28 und 29 hinaus praktisch unterbunden, wodurch sich insbesondere eine größere Rückdämpfung im Antennendiagramm ergibt. Bei Ausrichtung der Dipole parallel zu den längeren Seitenwänden 28 und 29 macht sich dieser Effekt im allgemeinen nicht in dem Umfang störend bemerkbar, da nämlich nur die den kurzen seitlichen Begrenzungswänden des Kastenreflektors benachbarten Teilabschnitte der Dipole 1 und 2 bzw. 7 und 8 zur Erzeugung der Störstrahlung beitragen.

Der Kastenreflektor 9 ist durch eine metallische Trennwand 23 einmal unterteilt, so daß die Teilabschnitte gegeneinander weitgehend entkoppelt sind. Zweckmäßig wird die Unterteilung — wie im Ausfiihrungsbeispiel angedeutet — so vorgenommen, daß sich mechanisch gleiche Teilabschnitte ergeben, wodurch in einfacher Weise beliebig viele Teilabschnitte weitgehend rückwirkungsfrei nebeneinander angeordnet werden können. Die Trennwand 23, die sich nahezu über die gesamte Tiefe des Kastenreflektors erstreckt, wie es in der F i g. 2 gestrichelt angedeutet ist, ermöglicht somit die zur Anpassung des Feldes erforderlichen Transformations- und Kompensationselemente unabhängig von der Polarisation des Feldes dimensionieren zu können.

Wie in der Fig. 1 angedeutet, sind die einzelnen Baueinheiten etwa im Abstand λ voneinander angeordnet. Zur einfachen Abstimmung der Stromsperren ist es zweckmäßig, die Kurzschlußwände 21 und 22 in der Art von Kurzschlußschiebern auszubilden, wodurch sich die Länge der als Stromsperren wirkenden λ/4-Leitungen 19 und 20 in einfacher Weise verändern läßt. Um die Antenne vor Witterungseinflüssen zu schützen, kann die in Strahlungsrichtung liegende offene Seite des Kastenreflektors mittels einer aus dielektrischem Material bestehenden Platte 33 abgedeckt werden. Diese Abdeckplatte läßt sich beispielsweise durch Klebung mit dem Kastenreflektor verbinden. Durch die drehbare Lagerung der Trägerelemente 25 in der Rückwand des Kastenreflektors ist es jederzeit möglich, die einzelnen Dipole entweder für horizontale oder vertikale Polarisation auszurichten. Um eine eindeutige Lage und eine rasche und einfache Fixierung der Dipole zu erhalten, ist die Rückwand des Kastenreflektors mit Raststellen versehen, in die die Trägerelemente einrasten können, so daß auch gleichzeitig die Lage der Dipole gekennzeichnet wird. Die Trägerelemente können dann durch eine Gegenmutter in ihrer Lage fixiert werden. Auf diese Weise ist es möglich, die Lage der Dipole ohne weiteres der gewünschten Polarisationsrichtung des von der Antenne abgestrahlten Feldes anzupassen, ohne daß dabei Eingriffe in den Kastenreflektor selbst erforderlich wären.

In der Fig.3, die eine Ansicht der Antenne in Richtung des Pfeiles C von F i g. 1 zeigt, ist noch die elektrische Zusammenschaltung der einzelnen Dipolgruppen dargestellt. Die an den Punkten 10, 11, 12 und 13 durch die Rückwand des Kastenreflektors durchstoßenden Trägerelemente sind über vier Kabel 14, 15, 16 und 17 mit einem Vierfachverteiler 18 verbunden. Dieser Vierfachverteiler steht beispielsweise über ein weiteres Kabel mit einem Sender in Verbindung und besteht im wesentlichen aus einer Transformationsschaltung, die gegebenenfalls in Form einer Leitungstransformationsschaltung ausgebildet sein kann und die die Anpassung des in den Verteilungspunkt transformierten Widerstandes an den Wellenwiderstand des zum Sender führenden Kabels bewerkstelligt. Wenn das Feld umpolarisiert werden soll, müssen lediglich die koaxialen Anschlußkabel in den Punkten 10,11,12 und 13 gelöst werden, danach werden die Dipolgruppen in der bereits beschriebenen Weise gedreht und anschließend die Kabel 14 und 17 wieder angeschlossen. Das Feld kann somit ohne Demontage und ohne aufwendige Umbauten umpolarisiert werden und gleichzeitig ist es bezüglich der Polarisationsrichtungen möglich, mit nur einem Antennentyp auszukommen.

Im einzelnen ist der Aufbau einer zu einer Dipolzweiergruppe zusammengefaßten Baueinheit noch in der F i g. 4 dargestellt. Das Trägerelement 25 ist als Winkelstück ausgebildet, an dem beispielsweise die Dipole 1 und 2 befestigt sind. Die Speisung der Dipole erfolgt koaxial, wobei das Trägerelement 25 gleichzeitig als Außenleiter der Koaxialleitungen zu den Dipolen 1 und 2 dient. Der Übergang von der koaxialen Leitung auf die symmetrischen Dipole erfolgt in an sich bekannter Weise über eine Schlitzsymmetrierung 35. Zur Realisierung der zugehörigen Leitungsteile ist das Trägerelement geschlitzt, und die Einschnittiefe des Schlitzes hat etwa die Länge λ/4. Die Länge der Dipole sowie ihr gegenseitiger Abstand beträgt etwa λ/2 (vergleiche F i g. 4a), und der Abstand der Dipole von der Rückwand des Kastenreflektors beträgt etwa λ/4 (vergleiche F i g. 4b).

In der F i g. 5 ist noch die horizontale Strahlungscharakteristik einer gemäß der F i g. 1 für den Frequenzbereich um 460 MHz realisierten Antenne dargestellt. Auf der Abszisse ist der Azimutwinkel ψ zwischen Null und 180° aufgetragen, auf der Ordinate das Verhältnis der Strahlungsleistung zur maximal in der Hauptstrahlungsrichtung erzielten Strahlungsleistung in dB. Die ausgezogen gezeichnete Kurve zeigt die Verhältnisse für vertikale Polarisation, die gestrichelt gezeichnete Kurve zeigt die Verhältnisse für horizontale Polarisation. Für die gesamte Strahlungscharakteristik muß man sich die Kurven spiegelbildlich für den Bereich zwischen Null und -180° fortgesetzt denken. Wie dem Diagramm zu entnehmen ist, ergibt sich bereits ab einem Winkel von ±15° eine Dämpfung von mehr als 13dB für die Nebenkeulen. Die Rückdämpfung, d.h. also die Dämpfung ab den Azimutwinkeln von ±90°, ist für beide Polarisationsrichtungen größer als 30 dB.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (4)

Patentansprüche:

1. Richtantennenanordnung für kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einer geradzahligen Anzahl von gleichphasig in Parallelspeisung von einem gemeinsamen Speisepunkt aus gespeisten Halbwellendipolen, von denen je zwei zu einer Baueinheit zusammengefaßt und zueinander parallel verlaufend an einem gemeinsamen Trägerelement befestigt sind und die nach Art eines Dipolfeldes angeordnet und mit einer gemeinsamen Reflektorwand versehen sind, die als einseitig offener rechteckiger Kastenreflektor mit zumindest angenähert in der Richtung der Trägerelemente verlaufenden Seitenwänden ausgebildet ist, dadurch gekennzeichnet, daß im Kastenreflektor (9) das einzelne Trägerelement (25) der Dipole drehbar und dabei einrastbar angeordnet ist und daß als kurzgeschlossene λ/4-Leitungen ausgebildete Stromsperren (19, 20) an den Längsseiten des rechteckigen Kastenreflektors angeordnet sind.

2. Richtantennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge der als Stromsperren wirkenden λ/4-Leitungen mittels eines Kurzschlußschiebers veränderbar ist.

3. Richtantennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Kastenreflektor mittels einer aus elektrisch leitendem Material bestehenden Trennwand zumindest einmal unterteilt ist.

4. Richtantennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die in der Hauptstrahlungsrichtung liegende Seite des Kastenreflektors mittels einer aus dielektrischem Material bestehenden Platte abgedeckt ist.