DE1803792A1 - Dielektrische Antenne - Google Patents

Description

• "Dielektrische Antenne" Die Erfindung betrifft eine dielektrische Antenne zum Ausstrahlen und/oder Emprangen elektromagnetischer Wellen.
• Dielektrische Antennen sind durch verschieden. Literaturstellen bekannt, beispielsweise durch das Buch von Kühn "Mikrowellen-Antennen", 1964, Seite 602 ff, das Buch "Antennas" von Kraus, 1950, Seite 404 ff, das Buch "Antennas" von Schelkunoff und Friis, 1952, Seite 533 ff, und das Buch "Microwave Antennas" von Fradin, 1961, Seite 511 ff. Diese bekannten dielektrischen Antennen besitzen üblicherweise einen Speisehohlleiter, in den sie mit ihrem speiseseitigen Ende hineinragen und dessen Innenwände zumindest inen vor gegebenen Abschnitt ihro@ hineinragenden Endes dicht umschließon, Vorzugsweise ist ihr in den Speischchlieiter hineinragendes Bnde zwecks Aupassung spits auslaufend, was man bekanntlich häufig auch als getapert beseichnet, Diese bekanntem Antonnen sind beispiel@weise sti@lförmig, zylinderförmig, rohrförmig oder nach Art eines Hormstrahlers mit Wänden aus einem dielektrischen Material aufgebaut, Die bezüglich ihrer Längsachze rotationssymmetrischem dieser bekannten dielektrischen Antennen liefern im wesentlichen rotationssynmetrische Richtdiagramme, deren Rotationssymmstrie in der Praxis jedoch bäufiz zugunsten einer anderen @@wünschten Form des Richtdiagram@s unerwünscht ist. Die nach Art eines Hornstrahlers aufgebaute bekannte dielektrische Antenne verhält sich im Prinzip wie ein metallischer Hornstrahler und weist dessen prinzipiellen Nachteil auf, um so größereräumliche Abmessungen besitzen zu müssen, Je schärfer s.tn Richtdiagramm gebündelt ein soll.
• Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne anzugeben, zumindest deren zu ihrer Läng@achse senkrechten Abmessungen umgekehrt proportional einer erhdhten Bündelungs schärfe ihres richtdiagramms ist. Mit der erfindungsgemäßen A@tenne sell@@ bet ihrer Ver@@@@@@@@@ als @@@@@@@@@nne @@@-lis@@st @@@@ @@terdr@@@@@@@@@@@ade für Rege@@@besigtale bei A@wendung @@@el@@@@ oder @llipti@sch pelarisierter Wellen orsielbar sein, webei die Achslage der @ilipze fr@i w@hlbar seim soll und die Form und Grö@e des Richtdiagramm@ der Antenne möglichst wenig beeinflussen sell, Außerdem sell sich die erfind@@gsgemäße A@tamme durch zöglichst kleine Nebenzipfel ihres Richtdiagramm@ ausseichnen, Die Erfindung geht aus von einer dielektrischen Antemme mit einem quadratischen oder ver@ugsweise rundem Speise-@@hlleiter, der zum Ausstrahlem und/oder @@pf@mgem elektromagnetischer Wellen goeignet ist, Das speiss@eitige und ver@ugsweise spitz auslaufende (getaport@) @@de diezer Antenne ragt in ihren Speischohlleiter hinein und dessen Innenwände umschließen zumindest einen vorgegebenen Abschnitt ihres hineinragenden Endes. Diese dichte Umschließung ist einerseit@ aus mechanischen Gründen zur Halterung der dielektrischen Antenne zweck@@äßig, andererseitz ist hierdurch eine möglichst verlustloze und das Richtdiagramm der Antenne nicht nachteilig beeinflussende Spei@ung der Antenne möglich.
• Die Erfindung besteht bei einer dielektrischen Antenne der vorerwähnten Art darin, daß sich die Antenne außerhalb des Speisehohlleiters zu ihrem strahlungsseitigen Ende hin pyramidenförmig erweitert und kugelkalottenförmig abgeschlossen ist, daß die die Pyramidenform bestimmenden Winkel in Abhängigkeit von dem gewünschten Richtdiagramm der Antenne gewählt sind und daß der Radius der Kugelkalotte derart gewählt ist, daß in Falle der Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen zumindest in winkelmäßigen Hauptstrahlungsbereich des Strahlungsfernfeldes eine sich annähernd kugelförmig ausbreitende Phasenfront der Wellen entsteht Durch Wahl entsprechender Längsabmessungen der erfindungsgemäßen Antenne ist deren Bündelungsfähigkeit zusätzlich beeinflußbar, wobei in der Regel eine größere Längsausdehnung außerhalb des Speisehohlleiters eine schärfere Bündelung dea Richtdiagramms bewirkt.
• Besonders vorteilhaft verwendbar ist die erfindungsgemäße Antenne als Primärantenne eines zum Ausstrahlen und/ader Empfangen elektromagnetischer Wellen geeigneten Reflektor-@ntennensystems, vorzugsweise eines Radar-Reflektorantennensystems, Der Reflektor eines solchen Systems stellt hierbei die von der Primärantenne "ausgeleuchtete" Sekundärantenne dar, wobei mit Ausleuchten die Belegung der Reflektorapertur durch die Strahlungsenergie der Primärantenne bezeichnet ist.
• Bei dieser vorteilhaften Anwendung der erfindungsgmäßen Antenne sind die Ausrichtung der Antenne, ihre Lage bezüglich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie des Reflektors und die die Pyramidenform der Antenne bestimmenden Winkel sowie der Radius der Kugelkalotte einerseits und die Reflektoreigenschaften des Reflektors andererseits in Abhängigkeit von dem jeweils größen-, phasen- und richtungsmäßig gewünschten Fernfeld-richtdiagramm des Reflektorantennensystems gewählt, Bei der Wahl der Reflektoreigenschaften geht bekanntlich maßgeblich die effektive Form und Größe des Reflektors sowie sein Reflexionsvermögen ein, das von Reflektorriaterial und der Reflektoroberflächenbeschaffenheit abhängt.
• Häufig ist der Reflektor bezüglich seiner Eingenschaften vorgegeben, wenn die erfindungsgemäße Antenne als Primärantenne innerhalb eines Reflektorantennensystems benutzt werden soll. Dann werden die Ausrichtung der Antenne, ihre Lage bezüglich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie des Reflektors, die die Pyramidenform der Antenne bestimmenden Winkel und der Radius der Kugelkalotte in Abhängigkeit von der Reflektorausleuchtung gewählt, die zum Erzeugen des jeweils größen-, phasen- und richtungsnäßig gewünschten Fernfeld-Richtdiagramms des Reflektorantennensystems erforderlich ist.
• Als Material für die erfindungsgemäße Antenne findet vorzugsweise ein solches mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten Verwendung, die größenordnungsmäßig zwischen 1,1 und 10 liegt, vorzugsweise bei 1,4.
• Als Primärantennensystem findet die erfindungagemäße Antenne in einen derartigen Reflektorantonnensystem ganz besonders vorteilhafte Verwendung, dessen Fernfeld-richtdiagramm in der Vortikalebene aus einer Mehrzahl von vertikalen Elementar-Richtdiagrammen zusammengesetzt ist. Meist ist die azimutale Hauptrichtung dieser Elementar-Richtdiagramme gleich. Jeden dieser Elementar-Richtiagramme ist innerhalb des Primärantennensystems dieses Reflektroantennensystems eine getrennte dielektrische Antenne gemäß der Erfindung zugeordnet. Hierbei sind die einzelnen erfindungsgemäßen Antennen übereinander angeordnet und leuchten in getrennter Zuordnung zu den vertikalen Elementar-Richtdiagrammen den Reflektor bzw. vorgegebene Zonen desselben aus, wobei durch W*hl der der Reflektoreigenschaften das Fernfeld-Richtdiagramm zusätzlich im voraus beeinflußbar ist.
• Ein Antennensystem dieser Art, wenn auch ohne Roflektor, ist zum Energievergleichspeilen mittels zweier dielektrischer Stielstrahler beispielsweise aus Bild 133 auf Seite 151 des Buches "Impulsfreie elektrische Rückstrahlverfahren" von F. von Rautenfeld, 1957, bekannt. Diese bekannte Antenne besitzt ein Paar dielektrischer Antennen mit einer jeweiligen Halbwertsbreite ihres Richtdiagramms von etwa + 15° und einer gegeneinander beispielsweise in der Elcvationsebene versetzten Hauptrichtung ihrer einzelnen Richtdiagramme von etwa 30°.
• Der überragende Vorteil der Verwendung der erfindun£sgemäßen Antenne in einem Reflektorantennensystem mit verschiedon gerichteten Elenenter-Richtdiagrc>zzen gegenüber dem Stande der Technik liegt in dor Möglichkeit, die Hauptrichtungen zueinander benachbarter Elementar-Richtdiagramme sehr orheblich kleiner wählen zu können als es bisher realisierbar war. Beispielsweise läßt sich ein Differenzwinkel benachbarter Elementar-Richtdiagramme durch diese Weiterbildung der Erfindung von 2,4° und gegebenenfalls noch kleiner realisieren.
• Anhand der Abbildungen werden in folgenden bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung und ihrer Weiterbildung im einzelnen beschrieben.
• In Fig. la ist mit 1 der Horizontalschnitt durch den Reflektor einer Richtantenne bezeichnet, vor den sich eine durch ein Kästchen 2 symbolosiorte Primärantonne, bestehend aus zwei Antennen nach der Erfindung, befindet. Das azimutale Fernfeld-Richtdiagramm dieser Reflektorantenno ist, keulenförmig und mit 3 bezeichnet.
• Fig. 1b zeigt einen Vortikalschnitt la durch den Reflektor der Antenne nach Fig. la. Der Vertikalschnitt durch die vor dem Reflektor befindliche Primärantenne ist wiederum durch ein Kästchen 2 symbolosiert. Weiterhin zeigt die Fig. 1b zwei vertikale Elementar-Richtdiagramme 4 und 5, die sich teilweise einander überlappen und deren Differenzwinkel ihrer Hauptrichtungen mit # bezeichnet ist. Das vertikale Richtdiagramm 4 ist vorzugsweise keulenförmig und das vertikale Elementar-Richtdiagramm 5 vorzugswoise vossc²-förmig, wie es in Fig. 1b gezeigt ist.
• Eine Antenne mit den azimutal übereinstimmenden Elementar-Richtdiagrammen nach Fig. la und den vertikalen Elementar-Richtdiagrammen t und 5 nach Fig. ib findet bevorzugt als Radarantenne Verwendung. Hierbei muß allerdings der Winkel E in der Praxis wesentlich kleiner als gezeigt gewählt werden, beispielsweise 2,4°.
• Hornstrahler sind als Primärantennen einer Antenne nach Fig. la und 1b bei einen derart kleinen geforderter, Winkel E nicht verwendbar. Dies geht aus Fig. 2a hervor, die die Draufsicht auf die Aperturen zweier in der Vertikalebene übereinander angeordneter Hornstrahler 6 und 7 mit einer gegenseitigen Abstand ihrer Phasenzentren von a1 zeigt.
• Dieser Abstand a1 ist bei der erforderlichen Bündelungsschärfe der Primärdiagramme der einzelnen Hornstrahler und damit bei deren physikalisch bedingten recht großen Abmessungen nicht so klein zu wählen wie er gemäß Fig. 2b sei müßte, wo der erwünschte gegenseitige Abstand der Phasenzentren mit a2 bezeichnet ist.
• Wie bereits in den Fig. la und 1b angedeutet, ist der mit 1 und la bezeichnete Reflektor zum Erzeugen der verschieden geformten Elementar-Richtdiagramme 4 und 5 nicht rotationssymmetrisch, sondern in verschiedenen Schnittebenen unterschiedlich gekrümmt, wie es bei der Erzeugung nicht rotationssymmetrischer Richtdiagramme mittels Reflektoran tennen an sich bekannt ist.
• Der Erfindung liegt als wesentliche und der Fig. 2b entnehnbare Erkenntnis zugrunde, daß bei der Reflektorantenne nach Art der in Fig. 1a und 1b gezeigten als Primärantonne eine solche verwendet werden nuß, deren den einzelnen Elementar-Richtdiagrammen zugeordneten Antennen 8 und 9 sich hinsichtlich Bündelung und Abmessung nicht verhalten wie Hornstrahler (Fig, 2a), sondern umgekehrt wie Hornstrahler (Fig. 2b), Bei den somit erforderlichen Strahlern (Fig. 2b) nuß die kleinere Abmessung mit der schärferen Bündelung verknüpft sein.
• Die Fig. 3a und 3b zeigen in Seitenansicht (Fig. 3a) und in Draufsicht (Fig. 3b) eine erfindungsgemäße Antenne, von denen zur Lösung der Aufgabe, die anhand der vorangehenden Figuren erläutert ist und in der Erzielung eines extrem kleinen Winkels 6 besteht, zwei Stück als Primärantennen eines Reflektorantennensystems vorteilhaft verwendbar sind, dessen Reflektor in Fig. la und 1b mit 1 und ia bezeichnet ist, Mit 10 ist in Fig. 3a und 3b der bein gezeigten Ausführungsbeispiel einen runden querschnitt aufweisenden Speisehohlleiter der erfindungsgemäßen Antenne bezeichnet, in den ofe mit ihrem speiseseitigen Ende, das spitz ausläuft, hineinragt und dessen Innenwände das hineinragende Ende der lmtenne bis zum Begimm der Taperung dicht umschließen. Zum strahlungsseitigen Ende hin erweitert sich die dielektrische Antenne außerhalb ihres Speisehohlleiters im Sinne der Erfindung pyramidenförmig. In Fig. 3a sind die Begrenzungslinien des vertikalen Schnitts dieser Pyramide mit 12 bis 14 bezeichnet, von denen die lediglich gedachten Linien gestrichelt gezeichnet sind. Der Spitzenwinkel des Vertikalschnitts dieser Pyramide ist in Fig. 3a mit α bezeichnet, während der Spitzenwinkel des Horizontalschnittes dieser Pyramide in Fig. 3b mit ß bezeichnet ist. Die sichtbaren und durchgezogenen Begrenzungslinien einerseits und die lediglich denkbaren und gestrichelt gezeichneten Begrenzungslinien jeweils des Horizontalschnitts andererseits dieser Pyramide sind in Fig. 3b nit 15 bis 17 bezeichnet.
• Gemäß einem Merkmal der Erfindung ist die erfindungsgemäße Antenne an ihrem strahlungsseitigen Ende kugelkalottenförmig abgeschlossen, wie es auch aus den Fig. 3c und 3b orkennbar ist. Der Radius r dieser Kalotte einer Kugel mit dem Mittelpunkt M ist derart gewählt, daß in Fall der Verwendung der erfindungsgemäßen Antenne als Sendeantenne zumindest in ihrem winkelmäßigen Hauptstrahlungsbereich des Strahlungsfernfeldes eine sich annhähernd kugolförmig ausbreitende Phasenfront der elektromagnetischen Wellen entsteht. Mit r' bzw. r" sind die jeweiligen Projektionen der Verbindungslinien des Mittelpunktes N mit den in die Zeichenebene projizierten Begrenzungslinien 18 und 19 der Kugelkalotte bezeichnet. Die wahren Größen r' und r" sind identisch mit der Größe von r. Mit 21 ist ie Begrenzungslinie der Kugelkalotte in Zeichenebene bezeichnet.
• Ein in der Praxis besonders bewährtes Ausführungsbeispiel der Erfindung nach den Fig. 3# und 3b, das für das X-Band (etwa 3 cm Wallenlänge) dimensioniert ist, weist folgende Dimensionierungen auf, die allerdings lediglich zur: besseren Verständnis der Fig, 3a und 3b angegeben werden und nicht etwa einschränkend für die Erfindung gelten sollen: α = 29° ß = 1200 r = 35 au b = 55 mm c = 22,8 mm im Durchmesser.
• Die Fig. 4 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Weiterbildung der Erfindung, die als Primärantennensystem einer Reflektorantenne nach Fig. la und 1b zum Erzeugen der darin genannten Fernfeldrichtdiagramme besondors vorteilhaft geeignet ist. Die in Fig, 4 gezeigten dielektrischen Antennen nach der Erfindung sind übereinander in einer gemeinsamen Vertikalebene angeordnet und den Elenentarrichtdiagrammen 4 und 5 (Fig. 1b) getronnt zugeordnet, Sie leuchten den nicht rotationaaylu;letrischen Reflektor in getrennten Zonen aus. Die beiden Antennen nach Fig. 4 weisen Speisehohlleiter 22 und 23 runden Querschnitts auf, die zum antennenseitigen Ende hin in voneinander fortweisenden Richtungen um vorzugsweise gleiche Winkel abgeknickt sind und deren abgeknickten Teile mit 24 und 25 bezeichnet sind. Die Speisehohlleiter 22 und 23 sind in der geneinsamen Vertikal ebene der beiden Antennen parallel ausgerichtet und berühren sich gegenseitig; unter Umständen genügt es aber, daß sie lediglich benachbart zueinander sind, Sowohl die Antenne 26 als auch die Antenne 27 ist jeweils in gleicher Richtung wie der zugehörige Speisehohlleiter abgeknickt, und ihre abgeknickten Enden sind mit 28 bis 31 bezeichnet, soweit sie in Fig. 4 sichtbar sind. Jeder der zwei Speisehohlleiter und jede der zwei Antennen sind vorzugsweise zu je eine Viertel des gesamten Abweichungswinkels t abgeknickt (insges. zwei Knicke pro Strahler: einer in Hohlleiter, einer im Strahlerhals; eine weitere Abstufung ist zwar theoretisch denkbar, mechanisch aber nicht vorteilhaft), wie es in Fig. 4 gezeigt ist. Dadurch ergibt sich eine nur geringfügige Beeinflussung der zirkular polarisierten Welle, während bei anders ausgeführten Knicken eine kräftige Störung zu verzeichnen ist.

Claims (8)

P a t e n t a n s p r ü c h e

1. Dielcktrische Antenne zum Ausstrahlen und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen, isbesondere Radarantenne, mit einen vorzugsweise runden Speisehohileiter, in den sie mit ihrem speiseseitigen und vorzugsweise spitz auslaufenden (getaperten) Ende hineinragt und dessen Innenwände zumindest einen vorgegebenen Abschnitt ihres hineinragenden Endes dicht umschließen, d a d u r c h g e k e n n z e i c h n e t, daß sich die Antenne außerhalb des Speischohlleiters zu ihrem strahlungsscitigen Ende hin pyramidenförmig erweitert und kugelkalottenförmig abgeschlossen ist, daß die die Pyramidenform bestimmenden Winkel in Abhängigkeit von dem gewünschten richtdiagramm der Antenne gewählt sind und daß der Radius der Kugelkalotte derart gewählt ist, daß im Falle der Ausstrahlung der elektromagnetischen Wellen zumindest im winkelmäßigen Hauptstrahlungsbereich des Strahlungsfernfeldes eine sich annähernd kugelförmig ausbreitende Phasenfront der Wellen entsteht.

2. Antenne nach Anspruch 1 bei ihrer Anwendung als Prinarantenne eines zum Ausstrahlen und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen geeigneten Reflektorantonnensystems, dessen Reflektor die von der Primärantenne "ausgeleuchtete" Sekundärantenne darstellt und Reflektoreigenschaf ten aufweist, die von seiner effektiven Form und Größe sowie von seinen Reflexionsvermögen abhängen, dadurch gekennzeichnet, daß die Ausrichtung der Antenne, ihre Lage bezüglich des Brennpunktes bzw, der Brennlinie des Reflektors, die die Pyramidenform der Antenne bestimmenden Winkel und der Radius der Kugelkalotte einerseits und die Reflektoreigenschaften andererseits in Abhängigkeit von den jeweils größen-, phasen- und richtungsmäßig gewünsch ten Fernfeldrichtdiagramm des Reflektorantennensystems gewählt sind.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß bei vorgegebenen Reflektoreigenschaften die Ausrichtung der Antenne, ihre Lage bezüglich des Brennpunktes bzw. der Brennlinie des Reflektors, die die Pyramidenform der Antenne betinnenden Winkel und der Radius der Kugelkalotte in Abhängigkeit von der Reflektorausleuchtung gewählt sind, die zum Erzeugen des jeweils größen-, phasen- und richtungsmäßig gewünschten Fernfeldrichtdiagramms des Reflektorantennensystem erforderlich sind.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß als Material für die Antenne ein solches mit einer relativen Dielektrizitätskonstanten zwischen größenordnungsmäßig 1,1 und 10 gewählt ist, vorzugsweise bei 1,4..

5. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 4, gekennzeichnet durch ihre in einer Mehrzahl erfolgende Verwendung als Primärantennen in einem zum Ausstrahlen und/oder Empfangen elektromagnetischer Wellen geeigneten und einen einzigen Reflektor aufweisenden Reflektorantennensystem, dessen Fernfeldrichtdiagramm sich in der Vertikalebene aus der gleichen Mehrzahl von vertkalen Elementarrichtdiagrammen zusammensetzt, in der Weise, daß die Primärantennen in übereinander verlaufenden Horizontalebenen angeordnet sind und in getrennter Zuordnung zu den vertiL-alen Elementarrichtdiagrammen den Reflektor oder Teile desselben ausleuchten.

6. Verwendung der Antenne nach Anspruch 5 in einen einen einzigen Reflektor aufweisenden Reflektorantennensystem, dessen Fernfeldrichtdiagramm sich aus zwei Elementarrichtdiagrammen zusammensetzt, die einerseits azimutal gleichförmig und gleichgerichtet sind und andererseits in der durch die gemeinsame azimutale Hauptrichtung der zwei Elementarrichtdiagramme verlaufenden Vertikalebene unterschiedliche Elevationswinkel ihrer Hauptrichtungen und unterschiedliche Formen aufweisen, in der Weise, daß als die zwei den zwei Elementarrichtdiagrammen getrennt zugeordneten Primärantennen zwei gleichartige Antennen nach einen der Ansprüche 1 bis 4 vorgesehen sind, daß die Längsachsen der zwei Speisehohlleiter dieser zwei Antennen in Richtung zum bzw. vom Reflektor in einer gemeinsamen Vertikalebene parallel verlaufen und diese zwei Speisehohlloiter sich gegenseitig berühren oder zumindest unmittelbar benachbart sind und daß in den Falle, daß in der den zwei Längsachsen der zwei Speisehohlleiter gemeinsamen Vertikalebene die Soll-Hauptrichtung der primären Richtdiagramme zumindest einer der zwei Antennen von der Längsrichtung ihres zugehörigen Speisehohlleiters un einen vorgegebenen Winkel in einer von der anderen der zwei Antennen fortweisenden Richtung abweicht, der zugehörige Speisehohlleiter und/oder die in Frage kommende Antenne (gegebenenfalls beide Speisehohlleiter und/oder beide Antennen) in Übergangsgebiet zwischen den jeweiligen Speisehohlleiter und seiner zugehörigen Antenne - gegebenenfalls mit Abstufungen - derart abgeknickt ist, daß die Ist- nit der Soll-Richtung des primären Richtdiagramms übereinstimmt.

7. Verwendung der Antenne nach Anspruch 6 bei einem unteren keulenförmigen und einem oberen cosec²-förmigen vertikalen Elementarrichtdiagramm.

8. Antenne zur Verwendung nach Anspruch 6 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß Jeder der zwei Speisehohlleiter und jede der zwei Antennen zu Je einen Viertel des vorgegebenen Winkels - gegebenenfalls abgestuft - voneinander wegweisend in der Vertikalebene geknickt sind.

L e e r s e i t e