DE1616300A1 - Dipole antenna for linearly polarized waves - Google Patents
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Description
ttPAIELH0LDn Patentverwertungs-und Elektro-Holding ÄG,Glarus (Schweiz) Dipolantenne für linear polarisierte Wellen tt PAIELH0LD n Patentverwertungs-und Elektro-Holding ÄG, Glarus (Switzerland) Dipole antenna for linearly polarized waves
Die Erfindung betrifft eine Dipolantenne für linear polarisierte elektromagnetische Wellen mit einer Koaxialleitung, in deren Endabschnitt der Aussenleiter durch zwei diametral gegenüberliegende Längsschlitze in zwei Segmente unterteilt ist, wobei die Länge der Längsschlitze gleich der halben mittleren Betriebswellenlänge in diesen Endabsehnitt ist. ■-■"■"The invention relates to a dipole antenna for linearly polarized electromagnetic waves with a coaxial line in the end portion thereof the outer conductor by two diametrically opposed Longitudinal slots are divided into two segments, the length of the Longitudinal slots is equal to half the mean operating wavelength in this end section. ■ - ■ "■"
In der Mikrowellentechnik werden Dipolantennen u.a. wegen ihres kleinen Gewinnfaktors bzw. ihrer geringen Richtwirkung in erster Linie als Primärstrahler bei Parabolantennen verwendet.Dipole antennas are used in microwave technology because of their small size Profit factor or its low directivity primarily as Primary radiator used in parabolic antennas.
Bei einer bekannten,für diesen Zweck benutzten Dipolantenne mit zwei gegenüberliegenden Längsschlitzen im Aussenleiter der koaxialen Speiseleitung ist an Jedem der so gebildeten Segmente des Aussenleiters ein Dipolstummel angebracht. Zur Ankopplung der Dipolstummel ist derIn a known dipole antenna used for this purpose with two opposite longitudinal slots in the outer conductor of the coaxial feed line is on each of the segments of the outer conductor formed in this way a dipole stub attached. To connect the dipole stubs is the
:"; '"' 10Sin/0439 ¥ : ";'"' 10Si n / 0439 ¥
- Innenleiter der Koaxial-Speiseleitung in der Höhe der halben Schlitzlänge rechtwinklig an eines der Aussenleitersegmente geführt. Durch eine an der von der Einspeisung abgewandten Seite der Schlitze angeordnete Reflektorseheibe wird eine optimale Ausleuchtung des Parabolspiegels erreicht. Die symmetrische Ankopplung der Dipolstummel kommt bei dieser Anordnung angeblich durch die Wirkung der A/2 -Resonanz der beiden Leitersegmente zustande.- Inner conductor of the coaxial feed line at half the height Slot length at right angles to one of the outer conductor segments guided. Optimal illumination of the parabolic mirror is achieved by a reflector disk arranged on the side of the slots facing away from the feed. The symmetrical coupling the dipole stub supposedly comes with this arrangement by the effect of the A / 2 resonance of the two conductor segments conditions.
Eine derartige Antenne mit ausgeprägten Dipolstummeln eignet sich vorzugsweise für Frequenzen im Bereich von 1-4 GHz. Bei noch höheren Frequenzen von z.B. 6 - 8 GHz werden die Dipolstummel dermassen klein« dass« unter Berücksichtigung der Abmessungen der Speiseleitung, die für eine einwandfreie Funktionsweise der Antenne erforderliche Geometrie sich praktisch nicht mehr einhalten lässt.Such an antenna with pronounced dipole stubs is suitable preferably for frequencies in the range of 1-4 GHz. At still higher frequencies of e.g. 6 - 8 GHz the dipole stubs are so small «that« taking into account the dimensions of the Feed line necessary for the proper functioning of the antenna required geometry can practically no longer be adhered to.
Das Ziel der Erfindung ist eine vorzugsweise als Primärstrahler für Parabolantennen mit koaxialer Speiseleitung geeignete Dipolantenne, die trotz ihrer zur Betriebswellenlänge relativ grossen-Abmessungen in einem breiten Frequenzbereich gute Strahlungs- und Anpassungseigenschaften aufweist.The aim of the invention is preferably one as a primary radiator Dipole antenna suitable for parabolic antennas with a coaxial feed line, which despite their relatively large dimensions for the operating wavelength Good radiation and over a wide frequency range Has adaptation properties.
Die Dipolantenne gemäss der Erfindung ist gekennzeichnet durch Ankopplung des Innenleiters der Koaxialleitung mit dem einen Segment mittels einer induktiven Verbindung und mit dem zweiten Segment mittels einer kapazitiven Verbindung, wobei in der die LängsschlitzeThe dipole antenna according to the invention is characterized by Coupling of the inner conductor of the coaxial line with one segment by means of an inductive connection and to the second segment by means of a capacitive connection, in which the longitudinal slots
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. - 3 - . ■ ρ 491 ■. - 3 -. ■ ρ 491 ■
halbierenden Eopplungsebene für eine mittlere Betriebsfrequenz die wirksamen■Impedanzwerte dieser Verbindungen entgegengesetzt gleich erscheinen, und durch einen die Koaxialleitung mindestens über den Bereich der Längsschlitze umschliessenden Hohlleiter, der bei den Betriebsfrequenzen die Anregung einer TE-Welle zulässt.bisecting the coupling level for an average operating frequency effective ■ impedance values of these connections are oppositely equal appear, and by one the coaxial line at least over the Area of the longitudinal slots enclosing the waveguide, which in the Operating frequencies that allow excitation of a TE wave.
Die Dipolantenne sowie ihre Wirkungsweise ist nachstehendanhand eines Ausführungsbeispieles eingehend erläutert»The dipole antenna and how it works is shown below an exemplary embodiment explained in detail »
Die Figuren la und Ib zeigen eine Dipolantenne im Längs- bzw. Querschnitt· Im Endabschnitt 1 einer koaxialen Speiseleitung 2 sind zwei diametral gegenüberliegende Längs schlitze ]5, 4 vorgesehen, die über ihre Länge-gleich einer halben mittleren Betriebswellenlänge ("-4p- ) den Aussenleiter5 in zwei Segmente 6,7 unterteilen. . Der Innenleiter 8 der Speiseleitung 2 ist in der die Längsschlitze halbierenden Querschnittsebene, die im weiteren als Kopplungsebene bezeichnet wird, über einen Steg 9 niit dem Segment 6 verbunden. Eine Kurzschlussscheibe 10, die den Endabschnitt 1 der Speiseleitung in einem v& - /8 der Schlitzlänge betragenden Abstand von der Kopplungsebene abschliesst, bildet mit dem Innenleiter 8 und dem Steg 9 ein zusammenhängendes Konstruktions teil .Auf den Segmenten ■6,7 sind Schrauben 11,12 als zusätzliche Kopplungselemente angebracht. .Die Schraube 11 dient überdies noch zur Befestigung des Steges 9 am Segment 6.Figures la and Ib show a dipole antenna in the longitudinal or Cross-section · In the end section 1 of a coaxial feed line 2, two diametrically opposed longitudinal slots] 5, 4 are provided, which divide the outer conductor5 into two segments 6,7 over their length - equal to half a mean operating wavelength ("-4p-). The inner conductor 8 of the feed line 2 is in the longitudinal slots bisecting cross-sectional plane, hereinafter referred to as the coupling plane is referred to, connected to the segment 6 via a web 9. A short-circuit disk 10, which the end section 1 of the feed line at a distance of v & - / 8 of the slot length from the Coupling level terminates, forms with the inner conductor 8 and the Web 9 part of a cohesive construction. On the segments ■ 6, 7 screws 11, 12 are attached as additional coupling elements. The screw 11 is also used to attach the Web 9 on segment 6.
Eine Hülse 1$ ist über ein Gewinde l4 mit dem Aussenleiter 5 derA sleeve 1 $ is via a thread l4 with the outer conductor 5 of the
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Speiseleitung 2 verbunden und formt mit diesem einen Hohlleiter von ringförmigem Querschnitt, der an einem. Ende in der Höhe der Schlitzenden 15 durch den Boden 16 der Hülse 13,der als Kurzschlussscheibe wirkt, abgeschlossen ist. Die Hülse 13 ist durch ein Isolierrohr 17 verlängert, das in ein konisches Endstück 18 ausläuft, welches den Raum des Hohlleiters gegen den Aus seilleiter 5 absehliesst. In der Speiseleitung ist als zusätzliches Mittel zur Anpassung vor den einspeisungsseitigen Schlitzenden eine alsFeed line 2 connected and forms with this a waveguide of annular cross-section, which at one. End in the amount of Slot ends 15 through the bottom 16 of the sleeve 13, which acts as a short-circuit disk acts, is completed. The sleeve 13 is extended by an insulating tube 17 which is inserted into a conical end piece 18 runs out, which the space of the waveguide against the rope conductor from 5 completes. In the feed line there is an additional means of adaptation in front of the feed-side slot ends as
^/4 Transformator wirkende Abstufung 19 des Aussenleiters 5 vorgesehen. ^ / 4 transformer acting gradation 19 of the outer conductor 5 is provided.
Die Wirkungsweise der Dipolantenne sei nun anhand der Figuren 2 und 3.erläutert.The mode of operation of the dipole antenna is now based on the figures 2 and 3 explained.
•Fig. 2a zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild der Dipolantenne. Die am Eingang angedeutete koaxiale Speiseleitung bis einschliesslich• Fig. 2a shows a possible equivalent circuit diagram of the dipole antenna. The coaxial feed line indicated at the entrance up to and including
des tyh Transformators habe einen Innenwiderstand von der Grosse R,. Die beiden Segmente 6,7 (Pig. 1) des Aussenleiters 5 wirken wie eine Doppelleitung 20 (Fig. 2a), welche im Abstand einer halben Wellenlänge von der Einspeisungsebene kurzgeschlossen und deren Einzelleiter im Abstand einer Viertel-Wellenlänge von der Einspeisungsebene (Kopplungsebene) über eine Kopplungsinduktiv!tat L tizwi -kapazität C mit dem Innenleiter 8 verbunden sind.· Die Induktivität L und die Kapazität C sind so gewählt, dass ihre Impedarizwerte für eine mittlere Betriebsfrequenz entgegengesetzt gleichof the tyh transformer have an internal resistance of the size R ,. The two segments 6, 7 (Pig. 1) of the outer conductor 5 act like a double line 20 (Fig. 2a), which is short-circuited at a distance of half a wavelength from the feed plane and its individual conductors at a distance of a quarter wavelength from the feed plane (coupling plane) are connected to the inner conductor 8 via a coupling inductive! tat L tizwi capacitance C. The inductance L and the capacitance C are chosen so that their impedance values are oppositely equal for an average operating frequency
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erscheinen und daher eine symmetrische Ankopplung der Speise- leltwag feke&-vo&-&*f an den·.-"Antennenlastwiderstand R« bewirken.appear and therefore cause a symmetrical coupling of the feeder wagons feke & -vo & - & * f to the · .- "antenna load resistor R«.
Diese Induktivität L bzw. Kapazität C könnte nun, in Abweichung von der Dipolantenne gemäss Fig* 1, durch einen Steg ähnlich dem Steg 9* bzw. durch eine an Stelle der Kopplungs schraube 12 in die koaxiale Speiseleitung hineinreichende Trimmschraube realisiert, werden. Eine solche Lösung wäre aber wesentlich ungünstiger als die Ausführung gem. Pig. 1, deren Vorteile,nun anhand dem gegenüber Fig. 2a verfeinerten Ersatzschaltbild gem. Fig. 2b verdeutlicht werden soll.This inductance L or capacitance C could now, in deviation from the dipole antenna according to Fig * 1, through a bridge similar to that Web 9 * or through a screw 12 in place of the coupling in the Trimming screw reaching into the coaxial feed line is realized, will. Such a solution would be much more unfavorable than that Execution according to Pig. 1, their advantages, now based on the opposite 2a illustrates a refined equivalent circuit diagram according to FIG. 2b shall be.
Dem Endabschnitt 1 der Speiseleitung 2, der in einem Abstand von 5/8 - 7/8 der Schlitzlänge (also von 5/l6 - 7/l6 der mittleren Koaxlalleitungs-Betriebswellenlänge . ^o } von der Kopplungsebene durch die Kurzschlüssscheibe 10 abgeschlossen ist, entspricht in Fig.2b die am Ende kurzgeschlossene Leitung 21. DerSteg9, der den Innenleiter 8 mit dem Segment 6 verbindet, wird im Ersatz^ schaltbild durch dieinduktivität L1 repräsentiert, Wie 3ich leicht zeigen lässt, bewirkt der in dem angegebenen Abstand von der Kopplungsebene abgeschlossene Endabschnitt 1 der Koaxial-Spelseleitung nun einerseits eine der Kapazität C nach Figv 2a entsprechende kapazitive Ankopplung des Segments 7 und andererseits eine Transformation der Induktivität L* des Steges 9 auf angenähert den doppelten Viert gleich der Induktivität L gemäss Fig.2a. DurchThe end section 1 of the feed line 2, which is closed at a distance of 5/8 - 7/8 of the slot length (i.e. 5 / l6 - 7 / l6 of the mean coaxial line operating wavelength. ^ O} from the coupling plane by the short-circuit disk 10, corresponds to the short-circuited line 21 in FIG. 2b. The web 9, which connects the inner conductor 8 to the segment 6, is represented in the equivalent circuit diagram by the inductance L 1 End section 1 of the coaxial coil line, which is closed off from the coupling plane, has on the one hand a capacitive coupling of the segment 7 corresponding to the capacitance C according to FIG. 2a and, on the other hand, a transformation of the inductance L * of the web 9 to approximately double the fourth equal to the inductance L according to FIG
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diese Anordnung wird also mit dem gleichen Steg 9, gegenüber der * erwähnten möglichen Variante einer kapazitiven Ankopplung mittels einer Trimmschraube, eine Verdopplung der wirksamen Induktivität und damit eine Vervierfachung der erreichbaren, für die Anpassung der Speise leitung an den Lastwiderstand der Antenne massgebliehen Impedanzübersetzung erzielt. Man erreicht dadurch, dass bei den in der Praxis benötigten Impedanzübersetzungen auch bei sehr hohen Betriebsfrequenzen der Querschnitt des Steges 9 genügend gross gemacht werden kann, um eine gute mechanische Stabilität der Anordnung zu gewährleisten.This arrangement is achieved with the same web 9, compared to the * mentioned possible variant of a capacitive coupling by means of a trim screw, a doubling of the effective inductance and thus a quadrupling of the achievable impedance translation, which is decisive for the adaptation of the feed line to the load resistance of the antenna. What is achieved in this way is that with the impedance ratios required in practice, even at very high operating frequencies, the cross section of the web 9 can be made sufficiently large to ensure good mechanical stability of the arrangement.
Durch die symmetrische.Ankopplung der Segmente 6,7 wird in dem ringförmigen Hohlleiter, der durch den Mantel der Hülse 13 und den Aussenleiter 5 der Speiseleitung 2 gebildet wird, eine ΤΕ,,-Welle angeregt, deren Feld in der Kopplungsebene in Fig. 3a dargestellt ist» Wegen der kreiszylindrischen Begrenzungsflächen hat dieses Feld relativ starke, das ideale linear polarisierte Feld verzerrende Querkomponenten. Ausser der TE,,-Welle wird im Bereich der Schlitze 3*4 noch eine stehende TEM-Welle angeregt, deren Feld in der Kopplungsebene in Fig. 3b wiedergegeben 1st. Da die Querkomponenten des TE,,»Feldes und des TEM-Feldes in der Kopplungsebene die selbe Richtung haben, wird durch die lieberlagerung der Felder an dieser Stell« die Verzerrung der linear, polarisierten Welle noch vergrössert. Pa aber die Querschnittsabmessungen des Hohlleiters so gewählt sind, dass bei den vorkommenden Betriebsfrequenzen,nur die TE,,-Welle als Hohlleiter angeregt wird, während das Feld der stehenden TEM-Welle nurThe symmetrical coupling of the segments 6,7 is in the annular waveguide through the jacket of the sleeve 13 and the outer conductor 5 of the feed line 2 is formed, a ΤΕ ,, - wave excited, the field of which is shown in the coupling plane in Fig. 3a is »Because of the circular cylindrical boundary surfaces, this field has relatively strong transverse components that distort the ideal linearly polarized field. Except for the TE ,, wave in the area of the slots 3 * 4 a standing TEM wave is excited, the field of which is in the Coupling plane shown in Fig. 3b 1st. As the transverse components the TE ,, »field and the TEM field in the coupling level are the same Direction is given by the preferential positioning of the fields on this Set the distortion of the linear, polarized wave to be increased. Pa but the cross-sectional dimensions of the waveguide are chosen so that with the occurring operating frequencies, only the TE ,, - wave as Waveguide is excited, while the field of the standing TEM wave only
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in stärk? gMölim^i&er Form längs" dem Hohlleiter· durchreicht, tritt bei einer/ ^hasejidrehurig der TE11-VIeIIe von l8O° eine optimale Kompensationjder^störenden Querfeldkomponenten des ΤΕ,^-Feldes ein. Di% Länge' A§n. JHülse. 13 ist so gewählt, dassder Abstand des offenen Endes; des Hohlleiters von der Kopplungsebene zumindest angenähert gleich der- halben Wellenlänge der TE,,rWelle wird. Die optimale ; Kompensation der Querkomponenten des TE^-Feldes wird also gerade in der abstrahlenden Oeffnung des Hohlleiters erreicht. Durch Variation der Breite der Längsschlitze 3,4 kann überdies die Stärke des Feldes der TEM-Welle so abgestimmt werden, dass.im offenen . Ende des Hohlleiters die Querfeldkomponenten derΤΕ,,-Welle fast vollständig kompensiert werden. Das auf die Weise im offenen Ende des Hohlleiters entzerrte Feld der ΤΕ,,^ν/elle ist in Fig. 3c dargestellt. Das Isolierrohr 17, welches den Hohlleiter an seinem offenen Ende verlängert, bewirkt eine partielle Verzögerung der abgestrahlten Wellen, so dass beim Austritt des elektromagnetischen Feldes aus dem Isolierrohr die elektrischen Feldlinien wenigstens teilweise tangential zur konischen Oberfläche seines Endstückes verlaufen. Versuche haben ergeben, dass die Länge des zylindrischen Teiles des Isolierrohres 17 vorteilhaft angenähert eine halbe Wellenlänge der abgestrahlten TE11-WeIIe beträgt, wobei das Isolierrohr 17 ungefähr über seine halbe Länge in den Hohlleiter eintaucht. Bei Verwendung der Antenne als Primärstrahler von Parabolantennen erreicht man durch dieses Isolierrohr 17 eine Vergrösserung der Divergenz der abgestrahlten Wellen unddamit eine gleichmässigere Ausleuchtung des Parabolspiegels. Der optimale Konuswinkel hängtin strong? J Pod field, a Di% Length 'A§n 13 - gMölim ^ i he shape along "the waveguide · by sufficient 11 -VIeIIe of l8O ° occurs at a / ^ hasejidrehurig the TE optimum Kompensationjder ^ disturbing transverse field components of the ΤΕ, ^... is selected so that the distance of the open end; of the waveguide of the coupling plane at least approximately equal DER half wavelength of the TE ,, rWelle is the optimum;. compensation of the transverse components of the TE ^; field is thus achieved even in the radiating aperture of the waveguide By varying the width of the longitudinal slots 3, 4 the strength of the field of the TEM wave can also be adjusted so that the transverse field components of the wave are almost completely compensated at the open end of the waveguide At the end of the waveguide the equalized field of ΤΕ ,, ^ ν / elle is shown in Fig. 3c The insulating tube 17, which extends the waveguide at its open end, causes a partial retardation of the emitted wave len, so that when the electromagnetic field emerges from the insulating tube, the electric field lines are at least partially tangential to the conical surface of its end piece. Tests have shown that the length of the cylindrical part of the insulating tube 17 is advantageously approximately half a wavelength of the emitted TE 11 wave, the insulating tube 17 dipping into the waveguide approximately over half its length. When using the antenna as the primary radiator of parabolic antennas, this insulating tube 17 increases the divergence of the emitted waves and thus more uniform illumination of the parabolic mirror. The optimal cone angle depends
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von dem zu erzielenden Ausleuehtewinkel ab. Mit einem Konuswinkel von 30° erreicht man für die meisten praktischen Fälle gute Ergebnisse. Das Isolierrohr 17 wirkt ferner zumindest teilweise als Transformationsglied zwischen dem Wellenwiderstand des freien Raumes und dem Strahlungswiderstand des Hohlleiters 5 A3 sowie als Schutz dieser Antenne gegen atmosphärische Einflüsse.from the angle to be achieved. With a cone angle of 30 °, good results are achieved in most practical cases. The insulating tube 17 also acts at least partially as a transformation element between the wave resistance of the free Space and the radiation resistance of the waveguide 5 A3 as well as protection of this antenna against atmospheric influences.
Die Schrauben 11,12. dienen als Koppelstummel zur Anpassung des Hohlleiters an den durch die Mittel zur symmetrischen Ankopplung der Segmente 6,7 in Zusammenwirkung mit den Schlitzen 3*4 gebildeten Symmetriertransformator.The screws 11, 12. serve as coupling stubs to adapt the Waveguide to the through the means for symmetrical coupling of the segments 6,7 formed in cooperation with the slots 3 * 4 Balancing transformer.
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