DE1516894C3 - Sendeantenne mit Einzelstrahlern - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Sendeantenne mit Einzelstrahlern, die in mindestens einer Spalte in benachbarte Einzelstrahler umfassenden Gruppen übereinander angeordnet und durch Verbindungsleitungen unmittelbar mit Verzweigungsstellen verbunden sind.

Die Erfindung läßt sich vorzugsweise bei Fernsehantennen anwenden. Solche Antennen bestehen meistens aus Einzelstrahlern, im allgemeinen Dipol-Richtstrahlfeldern, die in Etagen (Ebenen) übereinander und in Spalten nebeneinander liegen, von welchen mehrere vorzugsweise in oder um einen Mast herum angeordnet sind. Um die Antennen vor Witterungseinflüssen zu schützen, können entweder die Einzelstrahler mit Schutzkappen oder die ganze Antenne mit einem Schutzmantel aus Kunststoff versehen sein.

Weil der Energiefluß von den Verbindungsleitungen über die Einzelstrahler in den freien Raum nie stoßfrei erfolgt, fließt ein Teil der Energie von den Einzelstrahlern kommend in den Verbindungsleitungen zurück. Wegen der aus Festigkeitsgründen notwendigen Wandstärke des Kunststoffes eines Schutzmantels, die im Dezimeterwellenbereich einige Prozent der Wellenlänge beträgt, kann es auch vorkommen, daß am Kunststoffmantel ein nennenswerter Teil der abgestrahlten Leistung reflektiert wird. Dieser wird zum

ίο Teil von den Einzelstrahlern wieder empfangen und wirkt ebenso wie ein zusätzlicher Reflexionsfaktor der Einzelstrahler selbst, der an den Anschlüssen der Einzelstrahler auftritt.

Es ist zwar bekannt, daß der Einfluß der Reflexionsfaktoren von Einzelstrahlern auf die Anpassung der gesamten Antenne durch Anwendung von Schaltungen mit Phasenkompensation verringert werden kann, bei denen von mehreren Einzelstrahlern reflektierte, leitungsgebundene Wellenanteile über die jeweils zu den Einzelstrahlern gehörenden, unterschiedlich langen Verbindungsleitungen zurück zu einer gemeinsamen Verzweigungsstelle gelangen, nach deren Passieren sie sich gegenseitig kompensieren.

Das der Erfindung zugrundeliegende Problem ist jedoch nicht die Anpassung, sondern eine selbst bei Anwendung von Phasenkompensation auftretende Beeinträchtigung der Strahlungscharakteristik einer Antenne, wenn die Einzelstrahler große Reflexionsfaktoren haben, die auch von einem Kunststoffmantel hervorgerufen sein können. Diese bisher wenig beachtete Beeinträchtigung der Strahlungscharakteristik beruht darauf, daß die an einem Einzelstrahler oder dem Schutzmantel reflektierte Leistung rücklaufende Wellen in den Verbindungsleitungen der Einzelstrahler bildet; für diese Welle stellt die erste Verzweigungsstelle jeder Verbindungsleitung, vom Einzelstrahler aus gesehen, eine starke Stoßstelle dar, an der Teile der Welle reflektiert und anschließend vom Einzelstrahler abgestrahlt werden. Die dadurch entstehende Zusatzstrahlung überlagert sich der ursprünglichen, so daß diese nach Betrag und Phase geändert wird. Dadurch wird sowohl das Horizontaldiagramm als auch das Vertikaldiagramm gegenüber dem ungestörten Zustand verändert.

Zwar ist es bekannt, daß der Einfluß eines Schutzmantels stören kann. Bei einer bekannten Anordnung (USA.-Patentschrift 26 34 843) werden jedoch nur diejenigen Anteile von durch den Schutzmantel reflektierten und daher zurücklaufenden Wellen durch andere reflektierte Wellen kompensiert, die auf ihrem leitungsgebundenen Weg von den Strahlern zum Sender eine erste Stoßstelle passiert haben, während die an dieser Stoßstelle reflektierten Anteile der zurücklaufenden Wellen unkompensiert bleiben.

Sie blieben auch unbeachtet bei einer bekannten Anordnung (USA.-Patentschrift 22 97 896), bei der zwei in Strahlungsrichtung gegeneinander versetzte Strahler mit einer gemeinsamen Verzweigungsstelle über Verbindungsleitungen verbunden sind, deren Längen derart unterschiedlich sind, daß der Einfluß des Versatzes ausgeglichen ist. Bei geeigneter Bemessung ist es dabei möglich, diejenigen reflektierten Wellenanteile, die von den Strahlern kommend durch die Verzweigungsstelle hindurch in die gemeinsame Speiseleitung hineinlaufen,

gegenseitig zu kompensieren, was einer Phasenkompensation entspricht, durch welche die Anpassung der Antenne verbessert wird. Die bekannte Anordnung ist jedoch ungeeignet, für eine Spalte von Element-

Strahlern, auf welche die Erfindung Bezug nimmt, weil in einer solchen Spalte der Versatz von Strahlern in Strahlungsrichtung nicht gegeben ist.

Aufgabe der Erfindung ist es, die beschriebene Zusatzstrahlung zu verringern.

Diese Aufgabe wird durch die im Anspruch 1 gekennzeichnete Erfindung gelöst. Dabei ergibt es sich, daß die genannten Verbindungsleitungen einer Gruppe zu unterschiedlichen Verzweigungsstellen führen. Besonders vorteilhaft läßt sich die Erfindung bei einer Antenne anwenden, die von einem Schutzmantel aus Kunststoff umgeben ist oder bei der die Einzelstrahler von je einer Schutzkappe umgeben sind.

Die Wirkungsweise der Erfindung läßt sich wie folgt erklären: Die an den Einzelstrahlern und/oder dem Kunststoffmantel reflektierte Welle muß vor ihrer Abstrahlung den Weg von der Reflexionsstelle bis zur — vom Einzelstrahler aus gesehen — ersten Verzweigungsstelle zweimal durchlaufen. Dadurch, daß dieser Weg für die zu einer Gruppe zusammengefaßten benachbarten Einzelstrahler innerhalb einer Spalte jeweils entsprechend der Erfindung bemessen ist, wird erreicht, daß die von den Reflexionen verursachten Zusatzstrahlungen der Einzelstrahler einer Gruppe mit einem solchen Phasenunterschied zueinander abgestrahlt werden, daß sie sich in einem weiten Winkelbereich um die Hauptstrahlungsrichtung in einer Ebene parallel zur Spalte nahezu zu Null ergänzen.

Diese Wirkungsweise läßt sich besonders leicht an einem Ausführungsbeispiel einer Antenne nach der Erfindung erklären, die aus wenigstens zwei Spalten besteht, von denen wenigstens zwei benachbarte mit 90° Phasenunterschied gespeist werden. Bei einer solchen Antenne kann für je vier Einzelstrahler, die zu zwei Gruppen gehören, welche in benachbarten Spalten nebeneinander liegen, in an sich bekannter Weise doppelte Phasenkompensation angewendet werden.

Die Anwendung der Erfindung führt dann dazu, daß jede Gruppe aus zwei Einzelstrahlern besteht und die elektrischen Längen der Verbindungsleitungen zwisehen den Einzelstrahlern und den genannten ersten Verzweigungsstellen sich um eine Viertelwellenlänge voneinander unterscheiden. Dadurch wird die von den Reflexionen verursachte Zusatzstrahlung von den beiden Einzelstrahlern mit einem Phasenunterschied von 180° abgestrahlt. Dadurch ergänzt sich die Zusatzstrahlung zweier benachbarter Einzelstrahler im Fernfeld in der Ebene senkrecht zur Spalte nahezu zu Null.

Die Erfindung läßt sich aber auch bei anderen Ausführungsformen einer Antenne nach der Erfindung anwenden, die beispielsweise aus mehreren in oder um einen Mast herum angeordneten Spalten besteht, und bei der Drehfeldspeisung angewendet wird. Bei einer Antenne mit z. B. sechs Spalten werden zur Realisierung der Drehfeldspeisung Sechstelwellenlänge-Umwege in den Zuleitungen benötigt. Bei einer solchen Antenne ist es daher zweckmäßig, wenn jede Gruppe aus drei Einzelstrahlern besteht, und die elektrischen Längen von den Verbindungsleitungen zwischen den Einzelstrahlern und den genannten ersten Verzweigungsstellen sich um eine Sechstelwellenlänge voneinander unterscheiden. Die von den Reflexionen verursachten Zusatzstrahlungen von den drei Einzelstrahlern einer Gruppe werden dann mit gegenseitigen Phasenunterschieden von 120° abgestrahlt. Dadurch erganzen sich wiederum die Zusatzstrahlungen der drei benachbarten Einzelstrahler einer Gruppe im Fernfeld in der Ebene senkrecht zur Spalte nahezu zu Null.

Die Ergänzung der von den Reflexionen verursachten Zusatzstrahlungen im Fernfeld zu Null wird aber nicht nur in der Ebene senkrecht zu einer Spalte wirksam, sondern auch in einem weiten Winkelbereich um die Hauptstrahlungsrichtung in einer Ebene parallel zur Spalte. Der Winkelbereich, in dem die Ergänzung der Zusatzstrahlungen nahezu zu Null auftritt, ist dadurch bestimmt, daß der Phasenunterschied der ursprünglichen Feldstärkeanteile, die von den Einzelstrahlern ausgehen, im Aufpunkt verhältnismäßig klein und jedenfalls kleiner als η ist. Daher müssen die Gruppen aus möglichst wenig Einzelstrahlern bestehen. Je weniger Einzelstrahler eine Gruppe nämlich enthält, desto größer wird der Winkelbereich um die Hauptstrahlungsrichtung in einer Ebene parallel zur Spalte, in dem der Phasenunterschied der ursprünglichen Feldstärkeanteile, die von den beiden äußeren Einzelstrahlern einer Gruppe ausgehen, im Aufpunkt verhältnismäßig klein ist. Im allgemeinen liegt das hauptsächliche Versorgungsgebiet der Antenne in diesem Winkelbereich. Außerdem sollen die Gruppen in einer Spalte untereinander gleich sein. Denn dadurch, daß die Zusatzstrahlungen der einzelnen Einzelstrahler der Gruppen unterschiedliche Phasen haben, die von den elektrischen Längen der Verbindungsleitungen abhängen, entsteht eine Änderung der Strahlungsdiagramme der Gruppen im Vergleich zu den Diagrammen, die vorhanden wären, wenn keine Reflexionen aufträten. Diese Diagrammänderung kann z. B. eine Änderung der Hauptstrahlungsrichtung in einer Ebene parallel zur Spalte sein, also ein Schielen. Wenn, wie es häufig vorkommt, die Verbindungsleitungen zwischen den Einzelstrahlern und den Verteilern verhältnismäßig lang sind, ist die Diagrammänderung stark frequenzabhängig. Bei Breitbandantennen ist es daher erwünscht, daß sich diese Änderung wenig auf das Gesamtdiagramm auswirkt. Außerdem ist es von Vorteil, wenn beim Entwurf einer Antenne für ein bestimmtes Strahlungsdiagramm die Reflexionen nicht berücksichtigt zu werden brauchen.

Dadurch, daß alle Gruppen einer Spalte untereinander gleich sein sollen, soll vermieden werden, daß einige Gruppen einer Spalte in die eine Richtung und andere in die andere Richtung schielen, wodurch die Strahlungsdiagramme der betreffenden Spalte bei einigen Frequenzen und Absenkungswinkeln starke Einbrüche bekommen könnten. Durch Anordnen untereinander gleicher Gruppen innerhalb einer Spalte schielt diese nun zwar leicht frequenzabhängig, und bei Antennen mit Rundstrahldiagramm kann sich ein leichter Hutkrempeneffekt ergeben. Jedoch läßt sich dieser Hutkrempeneffekt bei Ausführungsformen von Antennen nach der Erfindung leichter in Kauf nehmen, als die Störungen der Frequenzunabhängigkeit der Strahlungscharakteristik durch die von Reflexionen verursachten Zusatzstrahlungen, die bei bekannten Antennen auftreten, bei denen der Hutkrempeneffekt durch symmetrische Anordnung ihrer Ebenen beseitigt worden ist.

In den Zeichnungen sind einige Ausführungsbeispiele einer Antenne nach der Erfindung dargestellt. Und zwar soll es sich um eine drehfeldgespeiste Antenne handeln, die aus vier Spalten von Achterfeldern besteht, wobei die erste Spalte mit einer Phase von 0°, die zweite mit —90°, die dritte mit —180° und die vierte Spalte mit -270° eingespeist wird. Die erste Γ und zweite Spalte 2' ist in F i g. 1 dargestellt, wobei jeweils vier Einzelstrahler 1 bis 4 bzw. 5 bis 8 bzw. 9 bis 12 zu

einer doppelt phasenkompensierten Obergruppe A, B bzw. C zusammengefaßt sind. Die Einzelstrahler sind durch Kreuze dargestellt. Die von jeweils einem Kreis umgebenen Kreuze sollen Einzelstrahler darstellen, deren Anschlüsse gegenüber den anderen Einzelstrahlern umgepolt sind, die also mit einer Phase von 180° gegenüber den anderen eingespeist werden. Die Umwege in den Zuleitungen stellen Viertelwellenlänge-Umwege (λ/4-Umwege) bei der Mittenfrequenz dar. F i g. 1 läßt für die jeweils aus zwei Einzelstrahlern 1, 2; 5, 6; 9, 10 bestehenden Gruppen Ai, Bi, Ci der Spalte Γ erkennen, daß in Ausführung der erfindungsgemäßen Lehre die Längen der Verbindungsleitungen 13 bis 18 jeweils zwischen den Einzelstrahlern 1, 2, 5, 6, 9, 10 und den — von jedem Einzelstrahler aus gesehen — jeweils ersten Verzweigungsstellen 19 bis 24 sich für je zwei benachbarte Einzelstrahler 1, 2; 5,6; 9, 10 innerhalb der Spalte Γ um eine Viertelwellenlänge voneinander unterscheiden. Entsprechendes gilt für die Gruppen A 2, B 2, C2.

Statt der untereinander gleichen, doppelt phasenkompensierten Obergruppen A, B, C in F i g. 1 lassen sich auch Obergruppen nach F i g. 2 anwenden. Weitere Ausführungsbeispiele entsprechend der Erfindung lassen sich leicht ausdenken. In F i g. 3 ist eine Obergruppe angegeben, bei der dreifache Phasenkompensation durchgeführt ist. Eine solche Obergruppe kann jeweils zwei Obergruppen in F i g. 1 oder nach F i g. 2 ersetzen. Es ist selbstverständlich, daß eine Antenne nach den F i g. 1, 2 oder 3 mit einer beliebigen Anzahl von Obergruppen ausgeführt werden kann.

Antennen nach der Erfindung haben gegenüber bisher bekannten Antennen aus Einzelstrahlern mit verhältnismäßig großem Reflexionsfaktor, beispielsweise hervorgerufen durch Schutzmantel aus Kunststoff, den Vorteil, daß die Beeinträchtigung der Strahlungscharakteristik durch die von den Reflexionen verursachte Zusatzstrahlung in einem großen Winkelbereich fast vollkommen beseitigt wird.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Sendeantenne mit Einzelstrahlern, die in mindestens einer Spalte in benachbarte Einzelstrahler umfassenden Gruppen übereinander angeordnet und durch Verbindungsleitungen unmittelbar mit Verzweigungsstellen verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß die hinsichtlich der Reihenfolge der Einzelstrahler (1, 2, 5, 6, 9, 10) von oben nach unten sich entsprechenden Einzelstrahler (1,2; 5, 6; 9,10) jeder Gruppe (Ai; Bi-Ci) mit je einer der genannten Verbindungsleitungen (13 bis 18) gleichen Phasenmaßes verbunden sind, daß diese Phasenmaße jedoch innerhalb jeder Gruppe (Ai, Bi, Ci) derart unterschiedlich bemessen sind, daß bei der mittleren Betriebsfrequenz die von einer Verzweigungsstelle (19 bis 24) in Richtung auf je einen Einzelstrahler (1, 2, 5, 6, 9, 10) reflektierten und dort abgestrahlten Wellen einander kompensieren.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß für ihre Einzelstrahler (1, 2, 3, 4) in an sich bekannter Weise Phasenkompensation angewendet ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus wenigstens zwei Spalten (V, 2') besteht, von denen wenigstens zwei benachbarte mit 90° Phasenunterschied gespeist sind.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß für je vier Einzelstrahler (1,2,3, 4), die zu zwei Gruppen (A i, A 2) gehören, welche in benachbarten Spalten (V, 2') nebeneinander liegen, in an sich bekannter Weise doppelte Phasenkompensation angewendet ist.

5. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannten Verbindungsleitungen (13, 14) in einer Gruppe (A 1) zu unterschiedlichen Verzweigungsstellen (19, 20) führen.

6. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzelstrahler (1 bis 12) von je einer Schutzkappe umgeben sind.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß sie von einem Schutzmantel aus Kunststoff umgeben ist.