DE1541600C3 - Antennenanordnung bestehend aus mindestens einem vor einer Reflektor wand angeordneten Bandleiter - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit spezieller, insbesondere unsymmetrischer Strahlungscharakteristik, bestehend aus mindestens einem vor einer elektrisch leitenden Reflektorwand angeordneten Bandleiter, der in Form einer Mäander- oder Trapezlinie mit mehreren jeweils einen Einzelstrahler darstellenden Intervallen von ungefähr A/2-Länge geführt ist, wobei unter Intervallänge die Bandleiterlänge zwischen zwei sich entsprechenden Stellen zweier aufeinanderfolgender Halbperioden des Bandleiters verstanden wird, dessen'Abstand zur keflektorwand für jeden Abschnitt so gewählt ist, daß der von dem betreffenden Abschnitt erwünschte Betrag der Belegung erzielt wird, und der mit einem Leiter einer Speiseleitung verbunden ist, deren anderer Leiter an die Reflektorwand angeschlossen ISt. ■'■ ' · ·· -..·■■;,

Derartige Antennen werden als Richtantennen im Gebiet· hoher Frequenzen verwendet. Die Wirkungsweise dieser Antennen läßt sich folgendermaßen erklären : Auf einem gerade geführten Leiter, der mehrere Wellenlängen lang ist, und an einem Ende gespeist wird, bildet sich eine stehende Wellenverteilung aus. Der Leiter wirkt'dabei als Resonanzantenne. Mit zunehmender Dicke des Leiters verändert sich der Wellenwiderstand der Antenne und die Strahlungsdampfung pro Längeneinheit der Antenne nimmt zu. Bei hinreichender Länge des Leiters wird der Anteil der am anderen Ende reflektierten Welle klein. Es entsteht eine fortschreitende Welle längs des Leiters und die Antenne erhält Breitbandcharakter. Eine ähnliche Steigerung der Strahlungsdampfung pro Längeneinheit läßt sich auch durch die periodische Biegung des Leiters erreichen. Beispielsweise wird diese Art der Erhöhung der Strahlungsdampfung bei der axial strahlenden Wendelantenne angewendet, wobei die Phasengeschwindigkeit der fortschreitenden Wellen durch die Wechselwirkung des Feldes mit den Leitungsströmen verringert wird und eine strahlungsgedämpfte Oberflächenwelle auftritt.

Bei der hier betrachteten Flachantenne wird der Leiter im wesentlichen nur in einer Ebene periodisch gebogen, wodurch eine lineare, in dieser Ebene und senkrecht zur Strahlerlängsausdehnung liegende PoIarisation entsteht. Für eine Länge der einzelnen Intervalle von λ/2 ergibt sich dabei eine gleichphasige Erregung über die Antennenlängsausdehnung. Die Strahlungsdämpfung nimmt dabei mit dem Leiterdurchmesser bzw. bei einem bandförmigen Leiter mit dessen Breite zu und bei entsprechender Ausbildung bildet sich längs des Leiters eine angenähert fortschreitende Welle mit exponentiellem Feldstärkeabfall. Der in geringem Abstand vor einer Reflektorwand parallel oder schwach geneigt angeordnete, periodisch geführte Leiter dient gleichzeitig als Antenne und Speiseleitung In einer Ebene ist eine stark gebündelte Abstrahlung mit Halbwertsbreiten von wenigen Graden erreichbar. Die Hauptstrahlrichtung verändert sich mit der Frequenz, jedoch ist durch eine symmetrische Anordnung eine konstante Querstrahlung in einem gewissen Frequenzbereich möglich.

Es ist bereits eine Antennenanordnung bekannt (deutsche Patentschrift 1 118 280), bei welcher der periodisch geführte Leiter gegenüber der Reflektorwand nach dem der Speiseleitung abgewandten Ende hin stetig und/oder abschnittsweise im Abstand geringfügig zunehmend geführt ist. Durch diese Maßnahme gelingt eine bessere Kontrolle der Energieverteilung längs der Antenne und damit der Richtcharakteristik, da die Strahlungsdämpfung gegen das Leiterende hin vergrößert wird. Bei dieser bekannten Antennenanordnung, bei der man von einer im wesentlichen exponentiell zum Strahlerende abfallenden Belegung ausgeht, sind jedoch zur Erzielung großer Unterschiede im Verlauf der Aperturbelegung erhebliche Abstandsänderungen notwendig. Bei einer großen Antennenausdehnung in Längsrichtung wirken sich diese Inhomogenitäten darstellenden Abstandsänderungen ungünstig

3 4

auf die Ausbildung einer fortschreitenden Welle und lern eine Phasendifferenz in ihrer Speisung. Außerdem damit sowohl auf die Bandbreite als auch die Strah- wird die Größe der Abstrahlung der Einzelstrahler lungseigenschaften sowie die Bauform der Antenne durch verschiedene Auslegung'des Verhältnisses zwiaus. sehen Bandleiterbreite b zum Bandleiter-Reflektorab-

Aus der USA.-Patentschrift 2 759 183 ist eine Anten- 5 stand h längs der Strahlerausdehnung eingestellt. Durch nenanordnung bekannt, bei der der Abstand zwischen geeignete Kombination von Breite und Abstand der dem Leiter und der Reflektorwand für jeden Abschnitt Einzelstrahler im Verlauf des Bandleitungsstrahlers derart gewählt ist, daß der von dem betreffenden Ab- kann damit eine von der abfallenden Belegung, die im schnitterwünschte Betrag der Abstrahlung erzielt wird. Falle einer zur Reflektorwand parallel verlaufenden In der Zeitschrift »Frequenz«, 1960, Nr. 7, S. 239 bis io Bandleiterführung auftritt, abweichende und über der 243, ist eine geradlinige Drahtantenne ohne Reflektor- Apertur variierbare Belegung eingestellt werden. Mit wand beschrieben, bei der die periodische Biegung des steigendem Wellenwiderstand des Bandleitungsstrah-Drahtes als Alternative und nicht als Zusatzmöglichkeit lers entsteht eine steigende Abstrahlung,
zur Abstrahlungsteigerung angeboten wird. Eine Begrenzung der maximal zulässigen Breite b

Γη Jasik, »Antenna Engineering Handbook«, 1961, 15 des Bandleiters ergibt sich aus der zunehmenden S. 30-15 ist die Funktion des Wellenwiderstandes einer Strahlungskopplung der Einzelstrahler mit abnehmen-Mikrostrip-Leitung im Zusammenhang mit dem Band- der Entfernung der Kanten benachbarter Intervallteile leiterabstand und der Bandleiterbreite angegeben. Da- voneinander.

bei handelt es sich um eine einfache Übertragungslei- Die Antenne kann in jedem Fall annähernd gleich-

tung und nicht um eine Antennenanordnung mit 20 mäßig schmal bezüglich des Abstandes Reflektorwand-Mäander- oder Trapezverlauf des Bandleiters. Bandleiter gehalten werden, da an Stellen, an welchen Aus der französischen Patentschrift 1 123 769 ist eine größere Abstrahlung erforderlich ist, auf Grund lediglich die Breitenänderungeines geraden Bandleiters der gleichzeitigen Verringerungsmöglichkeit der Bandgegenüber einer Reflektorwand als Alternative zu leiterbreite der Bandleiterabstand nicht so stark zueinem Rechteckverlauf des Bandleiters bekannt, je- 25 nehmen muß, wie an sich nach dem Bekannten erfordoch nicht die Breitenänderung eines Bandleiters mit derlich. Die Aufbringung des gesamten Bandleiters auf Rechteckverlauf od. dgl. vor einer Reflektorwand! einem länglichen, schmalen, möglichst rechteckförmi-Aus der USA.-Patentschrift 3 005 201 ist es bekannt, gen Substrat und die dadurch bedingte Verwendung den Phasengang der der Abstrahlung zugrunde liegen- einer umrißlinienmäßig entsprechenden, einfachen den Belegung eines Zick-Zackleiters durch Einstellung 30 Reflektorwand wird auch erst durch die gemeinsame der Länge eines Zick-Zack-Abschnittes im Verhältnis Variation von Bandleiterabstand und Bandleiterbreite zur Wellenlänge zu ändern. . ermöglicht, da bei lediglicher Änderung der Bandleiter-Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, durch breite zur Einstellung der Abstrahlungsgröße an AbgeschickteKombinationmehrererEinstellmöglichkeiten schnitten besonders geringer Abstrahlung dieser Bandzur Erreichung einer einer angestrebten Strahlungs- 35 leiter so breit ausgebildet werden müßte, daß diese charakteristik entsprechenden Belegung der Antennen- einfache und schmale Form nicht mehr gewährt werden apertur hinsichtlich Phase und Betrag eine solche Bau- kann. In diesem Fall braucht bei der Antennenanordform zu erreichen, die hinsichtlich des Abstandes zwi- nung nach der Erfindung die Breite des Bandleiters sehen der Reflektorwand und dem Bandleiter möglichst nicht so stark anzuwachsen, wie dies nach der frangleichmäßig und schmal.und hinsichtlich der Breite 4° zösischen Patentschrift 1123 769 notwendig ist, da des gesamten Antennensystems ebenfalls möglichst zur Erzielung einer solchen Abstrahlungsgröße der gleichmäßig ist. Abstand zur Reflektorwand in diesen Abschnitten ver-Gemäß der Erfindung, die sich auf eine Antennenan- ringert werden kann.

Ordnung der eingangs genannten Art bezieht, wird diese Durch die gemeinsame Variation der Bandleiterbreite

Aufgabe dadurch gelöst, daß die die Strahlungscharak- 45 und des Bandleiterabstandes in der Weise, daß für eine teristik bestimmende Belegung entlang der Antennen- Vergrößerung der Abstrahjung die Breite ab und der längsausdehnung in ihrem Phasengang durch das Maß Abstand zunimmt und umgekehrt bei verminderter der Abweichung einer jeden Intervallänge von der Abstrahlung, lassen sich bei größeren Abstufungen /l/2-Länge eingestellt ist, daß die die Abweichungen in der Erregung benachbarter Einzelstrahler scharfe ergebenden Intervallängenänderungen in denjenigen 50 Sprünge im Strahleraufbau vermeiden, welche sonst Teilen des Bandleiters durchgeführt sind, die sich im die Erzeugung einer fortschreitenden Welle erschweren wesentlichen in Richtung der Antennenlängsachse er- und außerdem zu unkontrollierten Fehlern im Phasenstrecken und daß die Belegung in ihrem Betrag bei den und Abstrahlungsverhalten der Antenne führen wür-Einzelstrahlern durch das Verhältnis zwischen der den.

Breite b des Bandleiters und dem Abstand h zwischen 55 Die konstante Breite der Antennenanordnung dem Bandleiter und der Reflektorwand derart einge- einschließlich des Reflektors über ihre gesamte Länge stellt ist, daß bei dem Bandleiter dort, wo eine größere hinweg kann auch nicht durch die für die jeweilige

Abstrahlung erforderlich ist, das Verhältnis von i- Phaseneinstellung erforderlichen Intervallängenände-

h rungen in Frage gestellt werden, wenn nach dem Merk-

durch Änderung beider Größen verkleinert wird und θο mal der Erfindung verfahren wird, bei dem in Form umgekehrt, derart, daß bei einer Vergrößerung der einer Trapez- oder Mäanderlinie verlaufenden Band-Breite b der Abstand h abnimmt und umgekehrt. leiter diese Änderungen in denjenigen Teilen des Band-Durch geeignete Variation der Intervallängen läßt leiters durchzuführen, sie sich im wesentlichen in sich ein einer bestimmten Strahlungscharakteristik ent- Richtung der Antennenlängsachse erstrecken. Durch sprechender Phasengang über der Apertur der Antenne 65 diese Maßnahme werden gleichzeitig zusätzliche Phaeinstellen. Bestimmte Einzelstrahler erhalten damit sengänge für nicht in der Hauptstrahlebene liegende durch Abweichung der entsprechenden Intervallängen Richtungen vermieden. Ferner wird auf Grund dieser von der P./2-Länge gegenüber den übrigen Einzelstrah- klären rechteckförmigen Gestaltung einer Antennen-

5 6

anordnung die Möglichkeit eröffnet, mehrere solche ordneten, leitenden ebenen Reflektorwand 2 zusammen^

Bandleitungsstrahler zur Erzielung einer gewünschten gesetzt. Zur Halterung des Bandleiters 1 auf der Re-

Bündelung räumlich jn einfacher Weise konstruktiv zu flektorwand 2 sind mehrere Stützen 3, bestehend z. B.

kombinieren. aus Fiberglasmaterial, vorgesehen. Der Anschluß

Um einen eindeutigen Zusammenhang zwischen der 5 einer als Koaxialleitung 5 ausgebildeten Speiseleitung

Breite b des Bandleiters, seinem Abstand h zur Reflek- erfoigt dabei in der Weise, daß von der freien Seite der

torwand und der auftretenden Abstrahlung je Längen- Reflektorwand 2 die Koaxialleitung 5 an die Mitte in

einheit herzustellen, muß die für Streifenleitungen Längsrichtung der Reflektorwand 2 herangeführt ist,

gültige Näherungsformel für das Verhältnis der Band- dort der Außenleiter der Koaxialleitung 5 jn die Re-

leiterbreite b zur Reflektorwandbreite s'+ b quer zur xo flektorwand 2 übergeht, während der Innenleiter 7 der

Strahlerlängsrichtung beachtet werden. Es gilt: Koaxialleitung 5 senkrecht zur Reflektorwand 2 weitergeführt und an den Bandleiter 1 im Speisepunkt 6

— S: 1,5 b, angeschaltet ist. Bei dem erläuterten Aqsführungsbei-2 spiel wird die Bandleitungsantenne nicht einseitig wobei s die Reflektorwandbreite abzüglich Bandleiter- 15 gespeist, da sich bei derartigen Antennen die Hauptbreite ist. Strahlrichtung mit der Betriebsfrequenz verhältnis^

Da die Reflektorwand gleichzeitig eine gute Ab- mäßig stark ändert. Dieser Veränderung der Hauptschirmung nach hinten ergeben soll, ist eine entspre- Strahlrichtung kann in einem gewissen Frequenzbechende Breite ohnehin notwendig. reich durch ein symmetrisch aufgebautes System, wie

Aus dem Prinzip der Zick-Zack-Antenne ergibt sich 20 im Ausführungsbeispiel, begegnet werden. Bei einem diesenkrechtzurBandleiterausdehnungliegendelineare demgemäßen System wird ein durchgehender Band-Polarisation durch die gegenseitige Aufhebung der leiter 1 verwendet, welcher in symmetrischer Weise in Längsvektoren und gleichphasige Lage der Quervekto- der Mitte mit dem Innenleiter 7 der vom rückwärtigen (S ren. Die Aufhebung der unerwünschten Längs- bzw. Antennenraum an die Reflektorwand 2 herangeführten Kreuzpolarisation wird bei Abweichung von dem 25 Koaxialleitung 5 verbunden ist. Der Bandleiter 1 weist λ/2-Intervall zwar geschwächt, jedoch kann die auch an mehreren Stellen Verbreiterungen 4 und 8 auf, welbei gleichphasiger Speisung bei den Randfrequenzen ehe im Falle der Verbreiterungen 8 durch auf diesen oder unter schrägen Raumwinkeln auftretende Kreuz- Bandleiter 1 auf steckbare Reiter gebildet werden. Durch polarisation durch, beispielsweise in einer Abdeckhaube diese als Parallelkapazitäten wirksamen Verbreiterung untergebrachte, Polarisationsgitter gedämpft werden. 30 gen 4 und 8 werden Stoßstellen an Knickpunkten und

In zweckmäßiger Weise ist der Bandleiter aus Blech, Abstandssprüngen sowie Rückwirkungen des offenen

z. B. Aluminiumblech, gestanzt, oder nach einem Bandleiterendes kompensiert, so daß eine fortschrei-

Ätzverfahren, z. B. Photoätzung, hergestellt. Vorteil- tende Welle erzielt wird. Die Breite des Bandleiters 1

haft weist der Bandleiter in seinem Verlauf an elektrisch ist mit b und der Abstand zwischen diesem Bandleiter 1

dafür geeigneten Stellen Verbreiterungen auf. Diese 35 und der Reflektorwand 2 mit h bezeichnet. Bei diesem

Verbreiterungen bedeuten Parallelkapazitäten, durch Ausführungsbeispiel nimmt die Breite b des Bandlei-

welche die an den Knicksteüen und Abstandssprüngen ters 1 nach außen hin ab, so daß das für den Betrag

sowie durch Rückwirkungen des offenen Leiterendes _{der m} maßgebliche Verhältnis | bei gleichzeiti-

hervorgerufenen Reflexionen kompensiert werden, so & . & & /, ■ e> -

daß auf dem Bandleiter eine fortschreitende Welle 40 ger Zunahme des Abstandes h nach außen jn starkem

auftritt. Diese Verbreiterungen sind vorzugsweise als Maß abnimmt. Die Intervallängen J weichen von

auf dem Bandleiter aufsteckbare und daher verstell- λ/2 ab und zwar vom Speisepunkt 6 in der Mitte zum

bare Reiter ausgeführt. Der Bandleiter kann dann Bandleiterende hin in zunehmendem Maße. Durch

ohne Verbreiterungen hergestellt werden, weil die Rei- diese Änderungen der jeweiligen Längen der Intervalle J fo

ter beliebig auf letzterem aufsteckbar sind. 45 entlang der Antennenapertur wird der für eine gefor- ^v"

Der Bandleiter wird vorteilhaft durch isolierende derte Strahlungscharakteristik notwendige Phasengang Stützen, vorzugsweise aus Fiberglasmaterial, oderdurch eingestellt. Die jeweiligen Abweichungen der Interdurchgehende Isolierstoffplatten mit kleiner Dielektri- vallängen von der /l/2-Länge entsprechen dem gezitätskonstante und geringen Verlusten auf der Reflek- wünschten Phasensprung von einem Ejnzelstrahler torwand gehalten. 50 zum benachbarten Einzelstrahler. Die Längenände-

Die Erfindung wird an Hand von sechs Figuren rungen der Intervalle J durch eine Änderung der in

näher erläutert. Es zeigt Antennenlängsrichtung verlaufenden Teilintervalle T

F i g. 1 eine Hälfte einer symmetrischen Bandlei- wirken sich vorteilhaft auf die Form des Bandleiters 1

tungsantenne, aus. Würden die Querteillängen des Bandleiters 1 ge-

F Tg. 2 diese Antenne in Ansicht aus der Strahler- 55 ändert werden, was grundsätzlich möglich wäre,

längsrichtung, wobei die Änderung des Bandleiterab- so bliebe die Linienführung der Strahlerbreite nicht

Standes vom Reflektor unberücksichtigt geblieben ist. konstant und die Einzelstrahler würden nicht mehr auf

F i g. 3 das anzustrebende und das erreichte Vertikal- einer definierten Geraden liegen. Außerdem werden

diagramm, zusätzliche Phasengänge für Strahlungen mit nicht in

F i g. 4 die Aperturbelegung nach Betrag und Phase, 60 der Hauptstrahlebene liegenden Richtungen vermieden.

F i g. 5 eine Ansicht dieser Antenne mit dem In der Radartechnik wird, für Rundsuchgeräte mit

Reflektor von oben, Antennen ohne vertikale Suchbewegung die Bedingung

F i g. 6 eine Ansicht von der Seite mit Darstellung gestellt, daß Flugkörper, die in konstanter Höhe fliegen,

des unterschiedlichen Abstandes /?. auch ein konstantes Echo liefern. Die durchgezogene

Die in den F i g. 1 und 2 dargestellte Hälfte einer 65 Linie in F i g. 3 zeigt die angestrebte vertikale Strah-

Antcnncnanordnimg ist aus einem Bandleiter 1, wel- lungscharakteristik (0° =-- Horizont, 90° Zenith) einer

eher aus einem mehrfach trapezförmigen Metallband Antenne mit einer ungefähr der cosec²-Funktion fol-

mil acht Intervallen ./ besieht, und einer dahinter angc- gcndcn Form der Hauptkeulenflanke. In der Praxis

Claims (4)

, Patentansprüche:

1. Antennenanordnung für sehr kurze elektromagnetische Wellen mit spezieller, insbesondere unsymmetrischer Strahlungscharakteristik, bestehend aus mindestens einem vor einer elektrisch leitenden Reflektorwand angeordneten Bandleiter, der in Form einer Mäander- oder Trapezlinie mit mehreren jeweils einen Einzelstrahler darstellenden Intervallen von ungefähr /l/2-Länge geführt ist, wobei unter Intervallänge die Bandleiterlänge zwischen zwei sich entsprechenden Stellen zweier aufeinanderfolgender Halbperioden des Bandleiters verstanden wird, dessen Abstand zur Reflektorwand für jeden Abschnitt so gewählt ist, daß der von dem betreffenden Abschnitt erwünschte Betrag der Belegung erzielt wird, und der mit einem Leiter einer Speiseleitung verbunden ist, deren anderer Leiter an die Reflektorwand angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die die Strahlungscharakteristik bestimmende Belegung entlang der Antennenlängsausdehnung in ihrem Phasengang durch das Maß der Abweichung einer jeden Intervallänge von der λ/2-Länge eingestellt ist, daß die die Abweichungen ergebenden Intervallängenänderungen in denjenigen Teilendes Bandleiters (1) durchgeführt sind, die sich im wesentlichen in Richtung der Antennenlängsachse erstrecken und daß die Belegung in ihrem Betrag bei den Einzelstrahlern durch das Verhältnis zwischen der Breite b des Bandleiters (1) und dem Abstand/; zwischen dem Bandleiter (1) und der Reflektorwand (2) derart eingestellt ist, daß bei dem Bandleiter dort, wo eine größere Abstrahlung erforder-

lieh ist,' das Verhältnis von — durch Änderung

beider Größen verkleinert wird und umgekehrt, derart, daß bei einer Vergrößerung der Breite b der Abstand h abnimmt und umgekehrt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Bandleiter (1) in seinem Verlaufe zur Kompensation von Stoßstellen an entsprechenden Stellen Verbreiterungen (4) aufweist.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Verbreiterungen (8) auf dem Bandleiter (1) als verstellbare, vorzugsweise aufsteckbare Reiter ausgeführt sind.

4. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand h, vom zentralen Speisepunkt aus gesehen, nach den beiden Enden des Strahlers hin erst zunimmt, dann abnimmt und zum Rand hin wieder zunimmt.