DE1812280A1

DE1812280A1 - Einrichtung zur Unterdrueckung unerwuenschter Polarisationsanteile bei der Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen

Info

Publication number: DE1812280A1
Application number: DE19681812280
Authority: DE
Inventors: Rudolf Haubelt; Busse Dipl-Ing Wilhelm
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1968-12-03
Filing date: 1968-12-03
Publication date: 1970-06-11
Also published as: GB1258282A; FR2025113A1; FR2025113B1; DE1812280B2

Description

STANDARD ELEKTRIK LORENZ AG · A/

.Stuttgart-Zuffenhausen ■ ■ .

Hellmuth-Hirth-Str .42 1812280

Busse - 1

Einrichtung zur Unterdrückung unerwünschter . Polarisationsanteile bei der Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen

Die Erfindung betrifft die als Polarisationskäfig bezeichneten zylinderförmigen Anordnungen, die unerwünschte Polarisationsanteile der Ausstrahlung einer Antenne, die im Inneren des Polarisationskäfigs montiert ist, derart beeinflussen, daß sie sich beim Empfang nicht störend auswirken können. Bei gewünschter vertikal' polarisierter Ausstrahlung von Antennen handelt es sich in der Regel um horizontat-peiarirsterte Anteile; bei gewünschter horizontal polarisierter Ausstrahlung ist es die vertikal polarisierte Komponente. Es besteht daneben die Forderung, daß die gewünschte Polarisationskomponente durch den Polarisationskäfig nicht gestört wird.

Bei der Erfindung handelt es sich um einen Polarisationskäfig, durch den die Vertikale Komponente der Ausstrahlung einer Strahleranordnung, die zur Ausstrahlung einer horizontal polarisierten Welle geeignet und demgemäß horizontal innerhalb des Polarisationskäfigs angeordnet ist, möglichst zu beseitigen ist, und die nicht mehr zu beseitigende Reststrahlung derart beeinflußt werden soll, daß sie sich empfangsseitig nicht mehr störend auswirken kann. Ein solches Problem tritt beispielsweise bei der unter dem Namen VOR bekannten Punknavigationsaniage auf,

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bei der die Azimutinformation mittels horizontal ausgerichteter Dipole ausgestrahlt wird, die zur weitgehenden Unterdrückung der Vertikalkomponente in einem solchen Polarisationskäfig angeordnet sind.

Gleichwohl ist außer der Horizontalkomponente Ey immer , eine vom Elevationswinkel abhängige Vertikalkomponente vorhanden, die sich je nach Größe und Richtung empfangsseitig mehr oder weniger verfälschend auf die Azimutmessung auswirkt. "

Ein (verkürzter) Dipol mit einer Halbwertsbreite von ®# = 90° liefert also zwei Strahlungsdiagrananej die formal geschrieben werden können als:

E^ = A cosy
Ea = A sin^

wobei Ey gegenüber E^Ä räumlich um Ay» ~ 90° versetzt ist. Dabei bedeuten A die Maximalamglitude -und^» den Horizontal- bzw. Azimutwinkel.

Es sind bereits Polarisationskäfige bekannt (DBP. 917 611, 901 665, 831 419, 1 OH 184,815 052), die die Aufgabe ~ einer weitgehenden Unterdrückung der Vertikalkomponenfce Ejß, bei für die VOR-Drehfunkfeuer benutzten Antennen erfüllen. Jedoch sind diese Polarisationskäfige konstruktiv sehr umfangreich und haben ein beträchtliches Gewicht. Es werden auch bei einigen Ausführungsformen zwei konzentrische Käfige benötigt, um die unerwünschte 'Vertikalkomponente E₁^ soweit herabzusetzen, daß die Äzimutmessung nur unerheblich verfälscht wird. GMchwohl ist durch Verwendung derartiger Polarisationskäfige die Vertikalkomponente E^^s immer noch räumlich um Ay> = 90° versetzt,

d.h. senkrecht zur Horizontalkomponente orientiert. 009824/10 8-1

Die Erfindung beruht auf der Erkenntnis, daß es allein durch die Dimensionierung des Polarisationskäfigs gelingen kann, das Strahlungsdiagramm der Vertikalkomponente j das ja-songfe-ee '" der Horizontalkomponente einen Winkel Δ f « 90° bildet, so zu drehen, daß die beiden Komponenten E^ und ^E^_max in die gleiche Richtung fallen.

Die Erfindung bezieht sich also auf eine Einrichtung zur Unterdrückung unerwünschter Polarisationsanteile bei der Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Unterdrückung der Vertikalkomponente bei der Ausstrahlung der Antenne für ein VOR-Drehfunkfeuer (Polarisationskäfig), bestehend aus einem zylindrischen Gebilde mit unterem und oberem Abschluß (Platte bzw. Ring aus Metall) und vertikalen, in gewissem Abstände auf dem Umfang der Abschlüsse angeordneten und mit diesen leitend verbundenen Stäben aus Metall und einem im Inneren des' Gebildes eingebauten eigentlichen Strahler (Antenne)·

ErfindungsgemJiß ist der Polarisationskäfig in zwei Teile, nämlich den Unterkäfig und den Aufsatz unterteilt; der Abstand der Stäbe des Unterkäfigs beträgt bei einem Stabdurchmesser zwischen O₄OOlX und 0,01 X (λ.= Betriebswellenlänge) 0,05JC bis 0jl5X, und die Länge der Stäbe beträgt 0,75X + 20 JS; die Länge der Stäbe des Aufsatzes ist 0,375X + 20 %i weiterhin ist das Verhältnis der Anzahl der Stäbe von Unterkäfig zu Aufsatz zwischen 1,5 : 1 und 3 : 1 gewählt.

Vorzugswelse beträgt jedoch die Länge der Stäbe des Unterkäfigs Q,75JI und die Länge der Stäbe des Aufsatzes Ο,375χ. während das Verhältnis der Anzahl der Stäbe von Unterkäfig zu Aufsatz mit 2 : 1 gewählt ist.

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In weiterer Ausbildung der Erfindung wird eine Mehrebenen-Anordnung mit zwei oder mehr Ebenen in der Weise ausgeführt, daß zwischen Unterkäfig und Aufsatz ein oder mehrere, dem Unterkäfig konstruktiv gleiche Oberkäfige vorgesehen sind.

Die Erfindung wird anhand von Figuren näher erläutert, y von denen

Fig. 1 . eine Einebenen-Konstruktlon und

Fig. 2 eine Zweiebenen-Konstruktion eines Polarisationskäfigs zeigt;

Fig. 3 zeigt das gemessene horizontale Strahlungsdiagramm einer VOR-Antenne ohne Polarisationskäfig und

Fig. 4 das horizontale Strahlungsdiagramm mit

Polarisationskäfig, der gemäß den Prinzipien der Erfindung dimensioniert 1st, gemessen bei eineai-omtei /tft = 20°.

Die Drehung des Strahlungsdlagrammes der Vertikalkomponente wird gemäß der Erfindung durch Aufteilen des gesamten Polarisationskäfigs in .einzelne Teile und durch deren spezielle Dimensionierung erreicht. Bei einer Einebenen-Konstruktion gemäß Flg. 1 sind die einzelnen Teile der Unterkäfig 1 und der Aufsatz 5, wobei in den Unterkäfig 1 der eigentliche Strahler (nicht gezeichnet), im einfachsten Falle beispielsweise -ein horizontaler, rotierbarer Faltdipol, eingebaut ist. Bei der Zweiebenen-Konstruktion gemäß Fig. 2 ist zwischen dem Unterkäfig 1 und dem Aufsatz 5 ein weiterer, als Oberkäfig 9 bezeichneter Teil gebaut, der hinsichtlich

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, -der Dimensionierung dem Unterkäfig 1 samt dem darin befindlichen Strahler (nicht gezeichnet) völlig gleich ist. Eine Mehrebenen-Konstruktion bewirkt bekanntermaßen eine Bündelung des Vertikaldiagrammes.

Pur die Dimensionierung des Polarisationskäfigs gelten als allgemeine Gesichtspunkte, 'daß der Durchmesser D des Käfigs und der Durchmesser d der Stäbe 2 bzw. 8 bzw. 12 so klein wie möglich sein sollten, wobei der Durchmesser D des Käfigs durch die Abmessungen des aufzunehmenden Strahlers in erster Linie bestimmt ist; D= 0,2λ bis O,5X,ist ein sinnvoller Wert (\- Betriebswellenlänge) .

Der Durchmesser d der Stäbe 2 bzw. 8 bzw. 12 wird bestimmt durch die mechanische Festigkeit des ganzen Polarisationskäfigs. Da der Durchmesser d der Stäbe hinsichtlich der elektrischen Eigenschaften von untergeordneter Bedeutung ist, können die Stäbe als entsprechend dünne Drähte oder Folien ausgebildet sein, die in die erforderliche mechanische Festigkeit gebende Träger, z.B. Kunststoffstäbe, eingebettet oder auf die ■Träger aufgebracht sind. Für den Durchmesser d der Stäbe ist ein Wert von 0,001X bis 0,01JV. angebracht und sinnvoll.

Der Abstand a der Stäbe beim Unter- und Oberkäfig (1 bzw. 9) ist zwischen 0,0551 und 0,15 λ zu wählen; · die Anzahl der Stäbe, die auf dem Kreisumfang unterzubringen sind, ist naturgemäß vom Durchmesser D des Käfigs und vom Abstand a der Stäbe abhängig.

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Die Stäbe sind an ihren Enden galvanisch zu verbinden,.

was am zweckmäßigsten mittels einer metallischen Platte (3, 7i Pig» 1 - 10; Fig.2) bzw. mittels eines metallischen Hinges (4, β; Pig.l - 11; Pig.2) geschieht.

Es hat sich in der Praxis ergeben, daß ausgezeichnete Ergebnisse hinsic htlich des Strahlungsdiagrammes mit einer Einebenen-Konstruktion gemäß Fig. 1 erzielt werden,, wenn der Boden des Unterkäfigs 1 und der Deckel des Aufsatzes 5 metallische Platten (3, J) sind. Der obere Abschluß des Unterkäfigs 1 und der untere Abschluß des Aufsatzes 5 sind als Ringe (4 bzw. 6) ausgebildet. Bei einer Zweiebenen-Konstruktion gemäß Pig. 2 ist zwischen Unterkäfig 1 und Aufsatz 5 ein weiterer, dem Unterkäfig gleicher Oberkäfig 9 gebaut, dessen Boden. (10) mechanisch der Befestigung des Strahlers und elektrisch als Entkopplungselement zwischen Unterkäfig 1 und Oberkäfig dient. Fertigungstechnisch kann man auch so vorgehen, daß"sämtliche Abschlüsse von Käfigen und Aufsatz als Ringe ausgebildet werden.» und zusätzliche Platten an den Stellen auf die Ringe aufgesetzt werden, wo sie aus elektrischen oder mechanischen Gründen erfor ■ -* ih sind. Die Ausbildung der Abschlüsse als Ringe ist auou zweckmäßig wegen der Montage der Strahler in den Käfigen und zur Erleichterung des späteren Zusammenbaues der einzelnen Käfigteile.

Wichtig für die gewünschte Punktion, d.h. die Herabsetzung der unerwünschten Vertikalkomponente E^ sind die Längen des Unter-(1) und Oberkäfigs (9)* d.h. die Längen der Stäbe L₁ bzw. L_n und die Länge der Stäbe L₁-des Aufsatzes 5 in Bezug apf die verwendete Betriebswellenlänge Xs gleich wichtig ist das Verhältnis der Anzahl der Stäbe 2 und 12 von Unterkäfig 1 bzw. Oberkäfig 9 zu Aufsatz 5. Es ist schon betont worden, daß

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der Unterkäfig 1 dem Oberkäfig 9 völlig gleich ist. Dazu sind die Längen L₁ und Lg der Stäbe 2 bzw. 12 der Käfige 1 bzw. 9 Mit Ο,75λ + 20 % zu wählen, und die Länge der Stäbe 8 des Aufsatzes 5 mit 0,375Xt ²⁰ * -Betriebewellenlänge). ;

Das Verhältnis der Anzahl der Stäbe von Unterkäfig 1 bzw. Oberkäfig 9 «u Aufsatz 5 ist zwischen 1,5 : i bis 3 : 1 zu wählen; insbesondere 1st ein Verhältnis v<J>n 2* :T,"~ sowohl aus konstruktiven als auch als elektrischen Gründen, zu bevorzugen. Stabzahlen von 24 oder 18 bei den Käfigen 1 und 9 und 12 bzw. 9 beim Aufsatz haben sich in der Praxis als sehr geeignet erwiesen.

Wie oben bereits erwähnt worden ist, bewirkt sowohl die Änderung der Länge L. der Stäbe 8 des Aufsatzes 5 als auoh das Stabverhältnis eine Drehung des durch die restliohe Vertikalkomponente B^ hervorgerufenen Strahlungedi agramoMS, wobei bei den angegebenen Stablängen und dem Stabzahlverhältnis das durch die Vertikalkomponente E^ erzeugte Strahlungsdiagramm mit dem durch die gewünschte Horizontal komponente E* erzeugten Strahlungsdiagramm . hinslohtlioh der Maximalwerte deckungsgleich wird. Es wird also der Winkel

(Fig.3) gleich Null, und es gilt:

μ A cosy

- A cosy sina^ , wobei A die Restamplitude von B^ bei Vorhandensein eines Polarisationskäfigs bedeutet·

In den Figuren 3 und 4 sind gemessene Strahlungsdiagramme eines bein TOR-Funkfeuer verwendeten Strahlers mit einer

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Halbwertsbreite von θ™ = 90°'dargestellt; während

Pig. 5 das horizontale Diagramm des Strahlers ohne Polarisationskäfig zeigt, ist in Fig. 4 das horizontale Strahlungsdiagramm einer Einebenen-Anordnung.gemäß Fig. 1 mit einem nach den Prinzipien der 'Erfindung konstruierten und dimensionierten Polarisationskäfig gezeichnet. Die Messung erfolgte jeweils bei einem Erhebungswinkel λ?»= 20°. Das Horizontaldiagramm einer Zweiebenen-Konstruktion gemäß Fig. 2 unterscheidet sich qualitativ in keiner Weise von dem der Einebenen-Konstruktion; es ergibt sich jedoch ein Antennengewinn von etwa 3 dB im Horizontaldiagramm.

Aus dem Diagramm der Fig. 3 ist zu ersehen, daß das von der Vertikalkomponente E^ erzeugte Strahlungsdiagramm gegenüber dem von der Horizontalkomponente erzeugten um Ay= 90 verdreht ist, wodu empfangsseitigen Messung Fehler entstehen.

Durch Vorsehen eines Polarisationskäfigs gelingt es, wie bekannt,· die Vertikalkomponente E^ zu verkleinern; durch die spezielle Dimensionierung des Polarisationskäfigs, d.h. Aufteilen in Unterkäfig 1 und Aufsatz bei einer Einebenen-Konstruktion (Fig.l) bzw. in Unterkäfig 1, Oberkäfig 9 und Aufsatz 5 bei einer Zweiebenen-Konstruktion (Fig. 2), sowie durch geeignete Wahl der Anzahl und Länge der Stäbe bei den Käfigen (1, 9) und dem Aufsatz (5) im Verhältnis zur Wellenlänge (λ.) ist es möglich, die Diagramme von Vertikal (E*% )- und Horizontalkomponente (Ey> ) hinsichtlich der Maximal amplitude ( E^ _maX , ^Ey_max) deckungsgleich, d.h. den Winkel &φ gleich Null zu machen, wodurch ■ bewirkt wird, daß die empfangsseitige Azimutmessung

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fehlerfrei durchgeführt werden kann.

Die spezielle Konstruktion und Dimensionierung des gesamten Polarisationskäfigs ermöglicht es auch/ Mehrebenen-Konstruktionen von mehr als zwei Ebenen von Antennen für VOR-Drehfunkfeuer anzuwenden, wodurch die Reichweite erhöht bzw. mit kleinerer Senderleistung die geforderte Reichweite erzielt werden kann.

Patentansprüche

Bl. Zeichnungen, 4 Fig.

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Claims

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Patentansprüche

Einrichtung zur Unterdrückung unerwünschter Polarisationsanteile bei der Ausstrahlung elektromagnetischer Wellen, insbesondere zur Unterdrückung der Vertikalkomponente der Ausstrahlung der Antenne ■ für ein VOR-Drehfunkfeuer (Polarisationskäfig), bestehend aus einem zylindrischen Gebilde mit unterem und oberem Abschluß (Platte bzw. Ring aus Metall) und vertikalen, in gewissem Abstande auf dem Umfang der Abschlüsse angeordnetenund mit diesen leitend verbundenen Stäben aus Metall und einem im Inneren des Gebildes eingebauten eigentlichen Strahler (Antenne), dadurch gekennzeichnet, daß der Polarisationskäfig in zwei Teile (Unterkäfig 1, Aufsatz 5; Fig. 1) unterteilt ist, daß der Abstand (a) der Stäbe (2) des Unterkäfigs (1) bei einem Stabdurchmesser (d) zwischen 0,00lXund Ο,ΟΙλ (X = Betriebswellenlänge) 0,05 λ bis 0,15 λ und deren Länge (L) Ο,75λ± 20 % beträgt, daß die Länge (L₅) der Stäbe (8) des Aufsatzes 0,275Jl + 20 % ist, und daß das Verhältnis der Anzahl der Stäbe (2 bzw. 8) von Unterkäfig (1) zu Aufsatz (5) zwischen 1,5 : 1 und J> : 1 gewählt ist.

2. Einrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge (L₁) der Stäbe (2) des Unterkäfigs (1) 0,75λ» die Länge (L₅) der Stäbe (8) des Aufsatzes (5) 0,375 λ beträgt, und daß das Verhältnis der Anzahl der Stäbe (2 bzw. 8) von Unterkäfig (1) zu Aufsatz (5) 2 ; 1 gewählt ist.

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J5. Einrichtung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Ausbildung einer Zweiebenen-Anordnung (Fig. 2) zwischen Unterkäfig (1) und Aufsatz (5) ein konstruktiv dem Unterkäfig (1) gleicher Oberkäfig (9) mit eingebautem eigentlichen Strahler angeordnet ist.

4· Einrichtung nach Anspruch 3# dadurch gekennzeichnet, daß eine aus mehr als zwei Ebenen bestehende Anordnung mit mehreren Oberkäfigen und eigentlichen Strahlern vorgesehen ist.

5. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der untere Abschluß des Unterkäfigs (1) bzw. des Oberkäfigs (9) oder der Oberkäfige und der obere Abschluß des Aufsatzes (5) metallische Platten (2 bzw. 7 bzw. 10) sind, und daß der obere Abschluß des unmittelbar vor dem Aufsatz befindlichen Käfigs und der untere Abschluß des Aufsatzes (5) metallische Ringe (U bzw. 6) sind.

6. Einrichtung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß sämtliche Abschlüsse als Ringe ausgebildet sind und an die erforderlichen Stellen Platten eingelegt werden. - —■

7. Einrichtung nach Anspruch 5# dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe als Drähte oder Folien ausgebildet sind, die in eine mechanische Festigkeit gebende Träger aus Isolierstoff eingebettet oder auf diese aufgebracht sind.

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8. Einrichtung nach Anspruch 1 oder nach einem der folgenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Durchmesser (D) des Polarisationskäfigs bei entsprechend dimensioniertem Strahler 0,2λ bis 0,5λ beträgt.

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