DE1541386B1

DE1541386B1 - Broadband spiral antenna

Info

Publication number: DE1541386B1
Application number: DE19661541386D
Authority: DE
Inventors: Kennedy Peter Dean
Original assignee: Granger Associates Inc
Current assignee: Granger Associates Inc
Priority date: 1965-11-15
Filing date: 1966-11-09
Publication date: 1970-11-26
Also published as: GB1111539A; FR1501247A; US3376577A

Description

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Es ist eine Breitband-Spiralantenne mit zwei spiral- etwa ³/₈ Wellenlängen der höchsten Betriebsfrequenz förmig gewundenen Antennendrähten bekannt, die in über Erde gehalten werden, und daß die Antennender Oberfläche eines Kegels mit vertikaler Achse drähte derart an den Seilen befestigt sind, daß der angeordnet und am Scheitel dieses Kegels gespeist Verlauf jedes Drahtes angenähert eine logarithmische sind, wobei die Scheitelenden der Drähte in einem 5 Spirale darstellt.It is a broadband helical antenna with two spiral about ^_3/8 wavelength of the highest operating frequency wound antenna wires are known which are maintained in above ground, and that the antenna lighter surface of a cone with a vertical axis wires in such a way on the ropes are fastened, that the arranged and fed at the apex of this cone, the course of each wire is approximately a logarithmic one, the apex ends of the wires being in a 5 spiral.

Winkel von 180 ° gegeneinander versetzt sind (USA.- Zur einfachen Festlegung der Höhe des Antennen-Angles of 180 ° are offset from each other (USA.- To easily determine the height of the antenna

Patentschrift 2958 081). Bei kleinem Scheitelwinkel scheiteis über Erde wird gemäß einer speziellen Aushat diese Antenne ein gutes Strahlungsdiagramm und bildung der Erfindung im Scheitel der Antenne eine eine brauchbare Impedanz. Wenn die Spirale nicht Scheitelplatte vorgesehen, an der die Tragseile besehr stark gerichtet ausgebildet ist, wird die direkte io festigt sind, und diese Scheitelplatte wird mit einem Strahlung bei einer solchen Antenne durch von der vertikalen Verbindungselement mit der Erde verbun-Erde reflektierte Rückstrahlungen empfindlich gestört, den, dessen Länge einstellbar ist. so daß sich das Strahlungsdiagramm mit der Fre- Die Erfindung wird an Hand der folgenden, insPatent 2958 081). With a small vertex angle, log ice over the earth is made according to a special policy this antenna a good radiation pattern and form the invention in the vertex of the antenna one a usable impedance. If the spiral is not provided with a crown plate on which the suspension ropes are attached is strongly directional, the direct io will be strengthened, and this crown plate will be with a Radiation from such an antenna is caused by the vertical connection element connected to the earth reflected reflections are sensitive to interference, the one whose length is adjustable. so that the radiation diagram with the Fre- The invention will be based on the following, ins

quenz sehr stark ändert. Wenn diese Antenne für einzelne gehenden Beschreibung in Verbindung mit Frequenzen bis herab zu 2 MHz verwendet werden 15 der Zeichnung erläutert. Es zeigt soll, ergibt sich für die Antenne eine Höhe von etwa F i g. 1 eine schematische Ansicht einer erfindungs-quenz changes very strongly. When referring to this antenna for single going description Frequencies down to 2 MHz used are explained 15 of the drawing. It shows should, results in a height of about F i g for the antenna. 1 a schematic view of an invention

140 m, was aus wirtschaftlichen Gründen normaler- gemäßen Antenne,140 m, which for economic reasons is a normal antenna,

weise nicht vertretbar ist, weil die Basis einer solchen F i g. 2 eine der Übersichtlichkeit halber nur teil-wise is not justifiable because the basis of such a F i g. 2 one for the sake of clarity only partially

Antenne etwa einen Umfang von grob gesprochen weise ausgeführte Ansicht der Antenne nach F i g. 1 einer Wellenlänge der niedrigsten Betriebsfrequenz 20 aus Richtung der Pfeile 2-2, haben muß. F i g. 3 eine Teilansicht des Scheitelbereichs derAntenna approximately a circumference of roughly speaking a wise view of the antenna according to FIG. 1 a wavelength of the lowest operating frequency 20 from the direction of the arrows 2-2, must have. F i g. 3 is a partial view of the apex area of FIG

Es ist ferner eine Spiralantenne dieser Art bekannt, Antenne,It is also known a spiral antenna of this type, antenna,

bei der die Antennendrähte in der Oberfläche eines F i g. 4 eine Teil-Seitenansicht von Teilen der Angedachten flachen Kegels angeordnet sind (USA.- tenne,in which the antenna wires in the surface of a F i g. Figure 4 is a partial side view of parts of the contemplated flat cones (U.S.A.- antenna,

Patentschrift 3 019439). Theoretisch kann bei einer 25 Fig. 5 und 5A eine Seiten- bzw. Endansicht einer solchen Antenne ein frequenzunabhängiges Strah- Antennenklemme entsprechend 5-5 in F i g. 2 und lungsdiagramm erhalten werden. Aus Modellunter- Fig. 6, 7, 8 und 9 Strahlungsdiagramme der Ansuchungen hat sich jedoch ergeben, daß das Strah- tenne bei verschiedenen Betriebsfrequenzen, lungsdiagramm zwar im niederfrequenten Bereich Die in der Zeichnung dargestellte erfindungs-Patent 3 019439). In theory, Figs. 5 and 5A can be side and end views, respectively, of a such antenna a frequency-independent beam antenna terminal corresponding to 5-5 in F i g. 2 and development diagram can be obtained. From model sub-Fig. 6, 7, 8 and 9 radiation diagrams of the approach However, it has been found that the antenna at different operating frequencies, development diagram in the low-frequency range The invention shown in the drawing

die erwartete Form hat, bei höheren Frequenzen sich 30 gemäße Antenne 1 besteht aus zwei spiralförmig jedoch Abweichungen und Unregelmäßigkeiten er- gewickelten Antennendrähten 2 und 3 (der letztere geben, es treten nämlich mehrkeulige und unsymme- ist in F i g. 2 der Klarheit halber in unterbrochenen trische Diagramme auf, und diese ändern sich sehr Linien dargestellt). Die Drähte 2 und 3 werden von stark schon bei kleinen Frequenzänderungen. Wie Klemmen 4 gehalten, die ihrerseits von Tragseilen 5 sich aus weiteren Modelluntersuchungen ergeben hat, 35 getragen werden. Die Tragseile sind an ihren äußeren ist dieses unerwünschte Verhalten bei höheren Fre- Enden an Masten 6 befestigt, von denen bei der quenzen hauptsächlich darauf zurückzuführen, daß dargestellten Ausführungsform sechs vorgesehen sind, sich mehrere Strahlungszentren bilden, die einander die im wesentlichen auf einem Kreis angeordnet sind, gegenseitig stören. und voneinander gleiche Abstände haben, so daß inthe expected shape, at higher frequencies, the antenna 1 consists of two spirals however, deviations and irregularities in wound antenna wires 2 and 3 (the latter give, namely multi-lobed and unsymmetrical occurs in FIG. 2 in broken lines for clarity tric diagrams, and these change very lines shown). Wires 2 and 3 are from strong even with small frequency changes. Like clamps 4, which in turn are held by suspension cables 5 has emerged from further model investigations, 35 are worn. The suspension ropes are on their outer this undesirable behavior is attached to masts 6 at higher Fre ends, of which at the sequences mainly due to the fact that the embodiment shown is provided six, several radiation centers are formed which are essentially arranged on a circle, disturb each other. and are equally spaced from each other, so that in

Aufgabe der Erfindung ist es deshalb, eine Breit- 40 der Draufsicht der Antenne ein Sechseck ist, wie sich band-Spiralantenne verfügbar zu machen, mit der im aus F i g. 2 ergibt. Die Klemmen 4 können aus Metall Frequenzbereich von etwa 2 bis 15 MHz eine auf- bestehen und zylindrische Aussparungen 7 aufweisen, wärts gerichtete Strahlung mit im wesentlichen die die Antennendrähte 2 und 3 halten. Gewünschtengleichbleibendem Strahlungsdiagramm erzielt werden falls können die Drähte 2 und 3 von zylindrischen kann, und die dennoch eine niedrige Bauhöhe auf- 45 Isolatoren 8 umfangen sein, die in die Aussparunweist. Diese Aufgabe wird ausgehend von einer gen 7 schnappen, wenn die Antenne an Ort und Stelle Breitband-Spiralantenne mit zwei spiralförmig ge- aufgebaut wird.The object of the invention is therefore to provide a broad 40 plan view of the antenna which is a hexagon, as is band spiral antenna available, with the in FIG. 2 results. The clamps 4 can be made of metal A frequency range of about 2 to 15 MHz has a standing and cylindrical recesses 7, Downward radiation with essentially holding the antenna wires 2 and 3. Desired consistent Radiation diagram can be achieved if the wires 2 and 3 of cylindrical can, and yet be encompassed a low overall height on 45 insulators 8, which points into the recess. This task is based on a gene 7 snap when the antenna is in place Broadband spiral antenna is built up with two spirals.

wundenen Antennendrähten, die in der Oberfläche Vorzugsweise sind die Seile 5 aus Fiberglas her-twisted antenna wires that are in the surface. The ropes 5 are preferably made of fiberglass.

eines gedachten flachen Kegels mit vertikaler Achse gestellt und können aus einer Reihe von Stäben beangeordnet und am Scheitel dieses Kegels gespeist 50 stehen, die mit Haken 9 miteinander verbunden sind, sind, wobei die Scheitelenden der Drähte in einem wie in F i g. 2 dargestellt ist. Diese Seile 5 sind an den Winkel von 180 ° gegeneinander versetzt sind, erfin- Außenenden mit Spannschlössern 14 an den Masten 6 dungsgemäß dadurch gelöst, daß zur Erzielung einer an Punkten befestigt, die im wesentlichen 9 m über aufwärts gerichteten Strahlung im Frequenzbereich der Erde liegen; die radiale Länge jedes Seils beträgt von ungefähr 2 bis 15MHz der Kegelscheitel dem 55 etwa 30 m. Abspannseile 17 stützen die Masten 6 Erdboden zugekehrt ist und etwa eine Viertelwellen- gegen den Zug der Seile ab. Die inneren Enden der länge der höchsten Betriebsfrequenz über dem Erd- Seile 5 sind mit Verbindern 16 und Isolatoren 21 an boden liegt. Kabel 18 aus rostfreiem Stahl angeschlossen, diean imaginary flat cone with a vertical axis and can be arranged from a number of rods and at the apex of this cone are fed 50, which are connected to each other with hooks 9, with the vertex ends of the wires in a manner as shown in FIG. 2 is shown. These ropes 5 are attached to the Angle of 180 ° are offset from one another, invent outer ends with turnbuckles 14 on the masts 6 duly solved in that to achieve a fixed at points that are essentially 9 m above upward radiation is in the frequency range of the earth; is the radial length of each rope from about 2 to 15MHz the apex of the cone 55 about 30 m. Guy ropes 17 support the masts 6 Facing the ground and about a quarter-wave against the pull of the ropes. The inner ends of the length of the highest operating frequency above the earth. Ropes 5 are connected to connectors 16 and insulators 21 floor lies. Stainless steel cable 18 connected to the

Unter Anknüpfung an eine bekannte Befestigung durch C-Klemmen 19 gezogen sind, die an einer im der Drähte einer Spiralantenne (USA.-Patentschrift 60 wesentlichen dreieckigen Scheitelplatte 20 angelenkt 3 129 427) wird die erfindungsgemäße Breitband- sind, die in einer gewünschten Höhe, d. h, etwa 6 m Spiralantenne zweckmäßig in der Weise ausgeführt, über der Erde liegt, was durch ein zentrales Vertikaldaß eine Anzahl Tragseile im Scheitel der Antenne kabel 13 bestimmt wird, das an der Erde und an der miteinander verbunden sind und sich von dort radial Platte 20 befestigt ist und mit einem Spannschloß 15 nach außen auf einer Länge erstrecken, die in der 65 in der Länge eingestellt werden kann. Die Seile 5 Größenordnung von IV₄ Wellenlänge der höchsten können gewünschtenfalls die Form von Kabeln Betriebsfrequenz der Antenne liegt, daß die äußeren haben. Damit eine schnelle Montage möglich ist, wer-Enden der Seile von Masten auf einer Höhe von den die Klemmen 4 vorzugsweise in der Fabrik in derTied to a known fastening by C-clamps 19, which are hinged to a triangular apex plate 20 which is essentially triangular in the wires of a spiral antenna (U.S. Patent 603,129,427), the broadband according to the invention are, which are at a desired height, d. h, about 6 m spiral antenna expediently executed in such a way, above the earth, which is determined by a central vertical that a number of suspension cables in the apex of the antenna cable 13, which are connected to the earth and to the interconnected and from there radially plate 20 is attached and extend with a turnbuckle 15 to the outside over a length that can be adjusted in the 65 in length. The cables 5 order of magnitude IV ₄ wavelength of the highest can, if desired, take the form of cables operating frequency of the antenna that have the outer. So that a quick assembly is possible who-ends of the ropes of masts at a height of the clamps 4, preferably in the factory in the

gewitschten Lage an die Seile 5 geklebt und so angeordnet, daß bei montierter Antenne der Verlauf jedes Drahtes 2 und 3 etwa einer logarithmisehen, auf der Oberfläche eines flachen imaginären umgekehrten Konus liegenden Spirale entspricht. Der Radiu$ R_n jeder Windung steht mit dem Radius .R_n+1 einer benachbarten Windung über einen konstanten Faktor in Beziehung, so daßglued to the rope 5 in a wich position and arranged so that when the antenna is mounted, the course of each wire 2 and 3 corresponds approximately to a logarithmic spiral lying on the surface of a flat, imaginary inverted cone. The radius R _{n of} each turn is related to the radius .R _{n + 1 of} an adjacent turn by a constant factor so that

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ist. ₁
is.

Es können auch andere Spiralentypen verwendet werden, beispielsweise die arithmetische Spirale, bei der der Radius jeder Windung um einen konstanten Unterschied größer ist als der der benachbarten kleineren Windung, die logarithmische Spirale ergibt jedoch ein besseres Betriebsverhalten. Die beiden Drähte der Antenne haben gleiche Radiusänderungen; der eine Draht ist jedoch gegenüber dem anderen um 180 ° verdreht, und dementsprechend greifen die beiden Drähte gleichmäßig ineinander.Other types of spirals can also be used, for example the arithmetic spiral that the radius of each turn is a constant difference greater than that of the neighboring smaller ones Winding, the logarithmic spiral, however, gives better performance. The two Antenna wires have equal changes in radius; however, one wire is opposite the other rotated by 180 °, and accordingly the two wires interlock evenly.

Die Drähte 2 und 3 haben Eingangsanschlüsse 2', 3' (vgl. Fig. 3); diese Anschlüsse können erdsymmetrisch beispielsweise von einem Symmetrierübertrager 11 (vgl. Fig. 4), der von einem Mast 10 getragen ist, gespeist werden. Im Sendefall fließt der Strom entlang der Spiraldrähte nach außen, bis er zu einer Gruppe von Windungen gelangt, deren Radius zwischen etwa 0,1 und 0,3 Wellenlängen liegt. Die relative Phasenverschiebung zwischen den Strömen in diesen benachbarten Windungen ist geeignet für von diesem Bereich ausgehende Strahlung, und, wenn die Spirale im freien Raum wäre, würde nur ein relativ geringer Strom in Windungen mit größerem Radius weiterfließen.The wires 2 and 3 have input terminals 2 ', 3' (see FIG. 3); these connections can be balanced to earth for example by a balancing transformer 11 (see. Fig. 4), which is carried by a mast 10, be fed. In the case of transmission, the current flows outwards along the spiral wires until it reaches a Group of turns arrives, the radius of which is between about 0.1 and 0.3 wavelengths. The relative Phase shift between the currents in these adjacent turns is suitable for from Radiation emanating from this area, and if the spiral were in free space there would be only one Relatively little current continues to flow in turns with a larger radius.

Vorzugsweise werden die Abmessungen dieser Antenne so gewählt, daß sich vier Betriebsarten ergeben, von denen jede in einem anderen Teil des Frequenzbereichs auftritt. Um im Frequenzbereich von 2 bis 15 MHz wirkungsvoll zu arbeiten, und um die Abmessungen der Antenne in praktisch brauchbaren Grenzen zu halten, ist eine etwas begrenzte Dimensionierung des Antennenaufbaus erforderlich. So sind die Maste 6 ungefähr 9 m hoch. Der Radius der größten Windung beträgt etwa 30 m, was groß genug ist, damit ein geeignetes Richtdiagramm bei der niedrigsten Frequenz (2MHz) erhalten wird. Weil die äußeren Windungen nahe an der Erde angeordnet sind, wird nicht die gesamte Energie in den Raum abgestrahlt, sondern ein Teil wird in Abschlußwiderständen 12, die auf einander gegenüberliegenden Masten 6 angeordnet sind, in Wärme überführt. Das stellt die erste Betriebsart dar.The dimensions of this antenna are preferably chosen so that there are four operating modes, each of which occurs in a different part of the frequency range. To in the frequency domain from 2 to 15 MHz to work effectively, and to make the dimensions of the antenna practical To keep limits, a somewhat limited dimensioning of the antenna structure is required. The masts 6 are about 9 m high. The radius of the largest turn is about 30 m, which is great is enough that a suitable directional pattern is obtained at the lowest frequency (2MHz). because the outer coils are located close to the earth, not all of the energy is in the room radiated, but a part is in terminating resistors 12, which are on opposite sides Masts 6 are arranged, converted into heat. This is the first operating mode.

Bei etwas höheren Frequenzen schrumpft die Größe des aktiven Bereichs, so daß sich die Windungen mit im Vergleich zum aktiven Bereich größerem Radius ergeben, jenseits derer eine unerwünschte Strahlung auftreten kann. Diese Neigung wird bei der erfindungsgemäßen Konstruktion dadurch auf ein akzeptierbares Maß herabgesetzt, daß der Scheitel der Antennendrähte 2, 3 auf etwa 6 m angehoben ist, wodurch der aktive Bereich in der zweiten Betriebsart hoch genug über der Erde ist, damit praktisch die ganze Energie in den Raum abgestrahlt wird. Dementsprechend fließt relativ wenig Strom in die größeren Windungen der Drähte, so daß Verzerrungen des Strahlungsdiagramms praktisch nicht auftreten.At slightly higher frequencies, the size of the active area shrinks, so that the turns with a larger radius compared to the active area, beyond which an undesired one Radiation can occur. This tendency is in the construction according to the invention on a reduced to an acceptable level that the apex of the antenna wires 2, 3 is raised to about 6 m, whereby the active area in the second mode is high enough above the earth that practically the all the energy is radiated into the room. Accordingly, relatively little electricity flows into the larger ones Turns of the wires, so that distortions of the radiation pattern practically do not occur.

Bei noch höheren Frequenzen befindet sich der aktive Bereich in einem größeren Bruchteil der Wellenlänge über der Erde, der Strahlungswirkungsgrad und die Strahlungsdiagramme sind sehr gut. At even higher frequencies, the active area is in a larger fraction of the Wavelength above earth, radiation efficiency and radiation diagrams are very good.

Wenn schließlich die Frequenz noch weiter erhöht wird, wird der Abstand zwischen dem aktiven Bereich und Erde größer als eine viertel Wellenlänge, und das Strahlmaximum ist nicht mehr in vertikaler Richtung. Die Frequenz, bei der dies eintritt, ist die obere Grenzfrequenz für eine Antenne, die für Vertikalstrahlung gedacht ist. Im Falle einer Antenne für Nachrichtenverbindungen über Ionosphärenreflektiönen soll diese obere Grenzfrequenz bei etwa 15 MHz liegen, und das ist bei der erfindungsgemäßen Antenne der Fall.Finally, if the frequency is increased even further, the distance between the active area will be and earth larger than a quarter wavelength, and the beam maximum is no longer in vertical Direction. The frequency at which this occurs is the upper limit frequency for an antenna for vertical radiation is intended. In the case of an antenna for communications via ionospheric reflections this upper limit frequency should be around 15 MHz, and that is the case with the invention Antenna the case.

Die Wahl der Höhe des Scheitels, die bestimmt ist durch die Länge des zentralen vertikalen Verbindungselements 13 mit dem Spannschloß 15, ist sehr kritisch. Wenn der Scheitel zu niedrig angeordnet ist, kann im zweiten der oben besprochenen Betriebsarten kein befriedigender Betrieb erhalten werden; wenn der Scheitel zu hoch angeordnet wird, wird der Zustand, der die obere Grenzfrequenz ergibt, bei einer zu niedrigen Frequenz erreicht, und die volle Leistungsfähigkeit der Antenne kann nicht ausgeschöpft werden.The choice of the height of the apex, which is determined by the length of the central vertical connecting element 13 with the turnbuckle 15 is very critical. If the crown is placed too low, no satisfactory operation can be obtained in the second of the modes discussed above; if the vertex is placed too high, the condition giving the upper cutoff frequency becomes at If the frequency is too low, the antenna cannot be used to its full potential will.

Die Strahlungsdiagramme (F i g. 6 bis 9) zeigen die vier Betriebsarten. Bei den niederen Frequenzen ist die Antenne nur so groß wie der normale aktive Bereich; die die Enden der Antennendrähte erreichende Energie wird von den Widerständen 12 absorbiert, und die Strahlungsdiagramme sind, obwohl die Antenne elektrisch dicht an der Erdebene 22 liegt, sehr gut geformt, wie in F i g. 6 dargestellt ist.The radiation diagrams (FIGS. 6 to 9) show the four operating modes. At the lower frequencies is the antenna is only as big as the normal active area; the one reaching the ends of the antenna wires Energy is absorbed by the resistors 12, and the radiation patterns are even though the antenna is electrically close to the earth plane 22, very well shaped, as in FIG. 6 is shown.

Bei etwas höheren Frequenzen ergibt sich ein Übergangsbereich, in dem der Radius der Antenne elektrisch groß genug ist, die Antenne jedoch elektrisch zu dicht an der Erde liegt, so daß ein leicht abweichendes Strahlungsdiagramm erzielt wird, wie in F i g. 7 dargestellt ist. Bei noch höheren Frequenzen ist der aktive Bereich elektrisch weit genug von der Erdebene entfernt, so daß sich ein erwünschtes Strahlungsdiagramm ergibt, wie F i g. 8 zeigt.At slightly higher frequencies there is a transition area in which the radius of the antenna is electrically large enough, but the antenna is electrically too close to the earth, so that a slightly different Radiation diagram is obtained as shown in FIG. 7 is shown. At even higher frequencies the active area is electrically far enough from the earth plane that a desirable Radiation diagram shows how FIG. 8 shows.

Schließlich liegt der aktive Bereich mehr als eine viertel Wellenlänge über der Erdebene, und das Strahlmaximum ist nicht mehr in vertikaler Richtung. Die erfindungsgemäße Antenne verhält sich jedoch immer noch in einer brauchbaren Weise, wie durch das Diagramm in Fig. 9 dargestellt ist.After all, the active area is more than a quarter wavelength above the earth's plane, and that The beam maximum is no longer in the vertical direction. However, the antenna according to the invention behaves still in a useful manner as illustrated by the diagram in FIG.

Claims

Patent claims:

1. Broadband spiral antenna with two spirally wound antenna wires connected to the Surface of an imaginary flat cone with a vertical axis arranged and this at the apex Cones are fed, with the vertex ends of the wires at an angle of 180 ° to each other are offset, characterized in that to achieve an upward Directed radiation in the frequency range from about 2 to 15MHz of the cone vertex The ground (22) is facing and about a quarter wavelength of the highest operating frequency above the ground (22).

2. Antenna according to claim 1, characterized in that a number of supporting cables (5) in the apex of the antenna are connected to each other and from there radially outwards over a length extend on the order of

I ¹ A wavelength of the highest operating frequency of the antenna is that the outer ends of the cables (5) are held by masts (6) at a height of about ^3/8 wavelengths of the highest operating frequency above ground (22), and that the antenna wires ( 2,3) are attached to the ropes (5) in such a way that the course of each wire (2, 3) approximately represents a logarithmic spiral.

3. Antenna according to claim 2, characterized in that a crown plate (20) in the vertex the antenna is provided that the support cables (5) are attached to the apex plate (20) and a vertical connecting element (13) connects the apex plate (20) to the earth (22) whose Length to determine the height of the antenna apex above ground is adjustable.

1 sheet of drawings