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Verfahren zur Erzielung eines breitbandig gleichmäßigen Richtstrahldiagrammes
sowie Anordnung zur Durchführung des Verfahrens.
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Es sind Rundstrahlantennen bekannt, die oberhalb einer gewissen Grenzfrequenz
ein hochpaßartiges Verhalten zeigen. Da diese Strahler oberhalb dieser Grenzfrequenz
praktisch keine Frequenzabhängigkeit mehr zeigen, können sie deshalb als Breitbandstrahler
angesprochen werden. Antennen dieser Art sind in dein Aufsatz "Wege zum optimalen
Breitbandrundstrahler" in der Zeitschrift Frequenz, Bd. 14, 1960, Heft 1 sowie beispielsweise
in der deutschen Auslegeschrift 1 109 748 beschrieben Es ist auch bekannt, derartige
Breitbandstrahler mit einem Winkelreflektor zu kombinieren, um zu einer Richtantennenanordnung
zu gelangen Dabei ergeben sich Schwierigkeiten insofern, als infolge des Abstandes
zwischen Winkelreflektor einerseits und Breitbandstrahler andererseits die Strahlungscharakteristik
und hier vor allem die Richtung des Hauptstrahldiagrammes frequenzabhängig wird.
Es ist bekannt, diesen Schwierigkeiten in gewissem Umfang dadurch zu begegnen (deutsche
Offenlegungsschrift 1 441 104), daß der Winkelreflektor auf mehreren Schienenbahnen
um den Breitbandstrahler herum fahrbar angeordnet ist und dadurch der Abstand zwischen
Strahler und Reflektor in einem bestimmten Maß verändert werden kann. Die bekannte
Anorcinung zur Veränderung des Abstundes zwischen Strahler und Reflektor ermöglicht
jedoch nur eine Anpassung in einem immer noch, bezogen auf die Breitbandigkeit des
Strahlers relativ kleinen Frequenzbereich.
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Ein weiterer Versuch zur Lösung des Problems besteht nach der deutschen
Patentschrift 1 241 499 darin, daß der Reflektor
eine bestimmte
Porm erhält, derart, daß die einander gegen-, überliegenden Teile des Reflektors,
von der Öffnung des Reflektors aus gesehen, abnehmende Winkel zwischen einander
einschließen. Hierdurch kann ein größerer Frequenzbereich mit ausreichend guter
Hauptstrahlungscharakteristik überstrichen werden. Es ergibt sich jedoch der Nachteil,
daß eine spezielle Reflektorkonstruktion erforderlich wird, die komplizierte Krümmungsverhältnisse
aufweist und noch keine optimale Lösung des Problems darstellt.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg aufzuzeigen, auf
welchem es möglich ist, ein breitbandig gleichmäßiges Richtstrahldiagramm zu erzeugen,
ohne daß speziell gekrümmte Winkelreflektoren verwendet werden müssen: Die Erfindung
bezieht sich auf ein Verfahren zur Erzielung eines breitbandig gleichmäßigen Richtstrahldiagrammes
bei einer Richtantenne, die einen breitbandigen Strahler in Porm eines Dipols bzw
Unipols mit Rundstrahlcharakteristik aufweist, der mit seiner Längsachse in der
Symmetrieebene eines Winkelreflektors angeordnet ist, und dessen Abstand zum Reflektor
in Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge verändert wird. Sie ist dadurch gekennzeichnet,
daß der Abstand d zwischen Strahlerlängsachse und Reflektor für die größte Betriebswellenlänge
#o zu d so gewählt wird, daß die vorgegebene Anpassungsforderung erfüllt ist, daß
für, von Ao aus gesehen, abnehmende Wellenlängen der Abstand d so lange konstant
gehalten wird, bis bei einem bestimmten Wert für do/# die Hauptstrahlungskeule aus
der Richtullg der senkrecht zum Scheitel des Winkelre3flektors verlaufenden Winkelhalbiercnden
gerade noch nicht herauswandert, daß kurz vor diesem Herauswandern der Abstand zwischen
Strahler und Reflektor bis zu einer durch die räumliche Ausdehnung des Strahlers
gegebenen Grenze verkleinert wird (ersterAbs-tandsbereich), daß nach Erreichen der
Grenze der Annäherung des Reflektors an den Strahle-, der Abstand des Reflektors
stark vergrößert wird auf einen Wert,, bei dem erstmals wieder eine
ausgeprägte
Hauptstrahlungskeule in Richtung der senkrecht zum Scheitel des Winkelreflektors
verlaufenden Winkelhalbierenden auftritt, und daß innerhalb der Grenzwerte für d/#,
die eine in Richtung der Winkelhalbierenden senkrecht zum Scheitel des Winkelreflektors
verlaufende Hauptstrahlungsrichtung ergeben, der Abstand zunächst konstant gehalten
und mit abnehmender Wellenlänge bei Erreichen des Grenzwertes jeweils in Richtung
auf einen kleineren Abstand variiert wird (zweiter Abstandsbereich) Eine Anordnung
zur Durchführung des Verfahrens gemäß der Erfindung ist gekennzeichnet durch eine
Verschiebeeinrichtung für den Reflektor und/oder den breitbandigen Strahler, die
eine Abstandsvariation über alle gewünschten Abstandsbereiche zuläßt.
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Die Erfindung ist anhand von Zeichnungen näher erläutert.
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Es zeigen: Fig. 1 in perspektivischer Darstellung eine Winkelreflektorantenne
von der Seite her gesehen; Fig. 2 die Draufsicht der Anordnung nach Fig. 1; Fig.
3a und Db die relative Feldstärke in der E-Ebene in Abhängigkeit vom Elevationswinkel:
Fig. 4a, 4b, 4c und 4d die relative Feldstärke in der H-Ebene in Abhängigkeit vom
Azimutwinkel; Fig. 5 den auf die Wellenlänge normierten Abstand in Abhängigkeit
von der Frequenz; Fig. 6 einen Breitbandstrahler in Form eines Unipols über einem
Gegengewicht.
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In Fig. 1 ist mit 1 der Winkelreflektor und mit 2 der hier nur schematisch
dargestellte Dipol bezeichnet. Die Höhe des Reflektors sei h, die Breite einer Reflektorfläche
b, und der Abstand zwischen dem Scheitel 3 des Reflektors 1 und der Längsachse des
Strahlers 2 sei d. Der Öffnungswinkel des
Winkelreflektors 1 soll-
a sein. Die Länge e.i.ner;»i.p.o1hlfte des Strahlers 2 beträgt 1. Vor der Reflektor-Strahleranordnung
ist ein Achsenkreuz eingezeichnet, dessen z-Achse in Richtung des Scheitels 3 des
Winkelreflektors 1 verläuft, während die durch die Schenkel x und y gebildete Ebene
senkrecht zum Scheitel des Winkelreflektors und senkrecht zur Längsachse des Strahlers
2 verläuft. Der Strahler 2, der als Dipol oder Unipol ausgebildet sein kann, ist
in derin Fig. 6 für einen Unipol dargestellten Weise ausgebildet, wobei bei Verwendung
eines Dipols zwei derartige Strahlerelemente vorzusehen sind. Für irgend einen Aufpunkt
P hat der Winkel zwischen seiner Projektion in die xy-Ebene und der Hauptstrahlungsrichtung
HR den Wert # (Azimutwinkel) und der Elevationswinkel für diesen Punkt beträgt 2.
Die Hauptstrahlungsrichtung HR ist dabei diejenige Richtung, bei der die Winkelhalbierende
zwischen den beiden Schenkeln des Winkelreflektors 1 senkrecht auf dem Scheitel
3 des Winkelreflektors steht. In der Praxis, d.h. bei endlichen Abmessungen der
Winkelreflektorflächen, liefert ein Winkelreflektor mit einem Öffnungswinkel u =
90° einen günstigen Kompromiß zwischen großem Gewinn, großer Bandbreite in der Anpassung
und kleinen äußeren Abmessungen. Die f-olenden Betrachtungen beziehen sich auf eine
Antenne mit 900 Winkelreflektor, ohne jedoch in ihren charakteristischen Aussagen
die Allgemeingültigkeit einzuschränken. Der Kleinetwert des Abstandes d/# ist durch
die Anpassungsforderungen gegeben, der Größtwert durch die Forderungen bezüglich
der Strahlungseigenschaften. Für einen Reflektionsfaktor von r = 30 soll bei der
größten Betriebswellenlänge #o der Wert do/#o # 0,3 gewählt werden.
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Die relativen elektrischen Feldstärken E rel der Strahlungscharakteristiken
einer mit einem Halbwellendipol nach Fig. 1 erregten Winkelreflektor-Antenne in
Abhängigkeit von d/# (normierter Abstand) sind in Fig. 3a fUr die Werte d/# = 0,25
bis = = 1 1 25 1,125 aufgetragen. Es zeigt sich, daß der Wert Evel für
Werte
d/# zwischen 0,25 und 0,625 in Richtung des Winkelwertes # = 0 ein Maximum aufweist.
Dies bedeutet, daß die Hauptstrahlungsrichtung in der xy-Ebene nach Fig. 1 liegt.
Für größere Werte ergibt sich bei # = 0 ein Einbruch; so liegt für d/# = 0,75 die
Hauptstrahlungsrichtung bei # = 35°, für = = 0,875-bei etwa 480 und für d/# = 1,125
bei etwa 580. Ausgehend von dem bereits erwähnten, durch die Anpassungsforderung
gegebenen Mindestwert für den Abstand bei der höchsten Betriebswellenlänge #o von
do/#o # 0,3 ergibt sich ein erster Abstandsbereich, in dem der Abstand zwischen
Strahler und Reflektor variiert werden kann, ohne daß die Hauptstrahlungskeule aus
der xy-Ebene herauswandert, von etwa d/# = 0,3 bis d/# = 0,63, was einem Frequenzverhältnis
von etwa 2,1/1 entspricht.
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Aus Fig. 4a geht hervor, daß für d/N zwischen 0,25 und 0,75 die Hauptstrahlungsrichtung
in der H-Ebene bei # = 0 liegt.
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Insgesamt kann also in einem ersten Abstandsbereich Al von (d/#)@min
= 0,3 bis (d/#)1max = 0,67 eine Hauptstrahlungskeule in Richtung von HF nach Fig.
1 erzeugt werden.
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Die Annäherung zwischen Strahler und Reflektor erreicht eine Grenze,
wenn sich Strahler und Reflektor berühren. Nähere Einzelheiten zu diesem Grenzabstand
werden im Zusammenhang mit Fig. 6 erläutert. Dort ist ein über einem Gegengewicht
4 angeordneter Unipol 5 dargestellt, der über eine koaxiale Speiseleitung 6 mit
Hochfrequenzenergie versorgt wird, wobei der Außenleiter in das nach oben gewölbte
Gegengewicht übergeht.
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Die Ausbildung des Strahlerfußpunktes sowie die Form des aufgesetzten
Kegel stückes ist nach den bei bekannten Breitbandantennenkonstruktionen üblichen
Gesichtspunkten durchgeführt.
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Der Strahler hat eine Gesamtlänge l von 0,22 #o, sein Durchmesser
beträgt 29 = 0,169 #o. Der Schlankheitsgrad dieses Strahlers, d.h. der Wert S ergibt
sich zu s = # # 2,6. Wegen der endlichen Ausdehnung des Erregers, d.h.. des Strahlers,
kann der Abstand d nach Fig* 1 jedoch nicht beliebig klein gemacht
werden.
Dies gilt umso mehr, je kleiner der Schlankheitsgrad dieses Strahlers und damit
je größer sein Durchmesser und somit seine Breitbandigkeit ist. Der lichte Abstand
zwischen dem Strahler und den beiden Reflektorwänden ist nach Fig. 2 für die Wellenlänge
Ao
Dabei ist 2 oder größte Durchmesser des Strahlers nach Fig. 6.
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Die Forderung
führt mit der relativen Strahlerlänge 1 und dem Schlankheitsgrad S = 1/@ zu dem
bei einer beliebigen Betriebswellenlänge einzuhaltenden minimalen Reflektorabstand
von
Trotz dieser Einschränkung kann die nutzbare relative Bandbreite einer Winkelreflektor-Antenne
für einen Strahler nach-Fig. 6 durch zumindest stufenweise Anderung des Reflektorabstandes
bis auf etwa 4:-1 vergrößert werden.
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Nähere Erläuterungen hierzu gehen aus Fig. 5 hervor. Dort sind die
Werte d/# in Abhängigkeit von der Frequenz f und zwar in Vielfachen von der größten
Betriebswellenlänge, d.h. der kleinsten Betriebsfrequenz fo aufgetragen. Es sind
verschiedene Geraden eingezeichnet, die jeweils Linien bedeuten, auf denen das Verhältnis
d/#o konstant ist. Diese Linien beginnen links oben mit d/#o = 0,4 und enden rechts
unten mit dem Wert d/#o = 0,15. Für den ersten Entfernungsbereich, in dem eine Variation
von d/# unter Beibehaltung der gewünschten Richtcharakteristik möglich ist, kann
bei der Frequenz fo entsprechend der Anpassungsforderung do/#o # 0,3 zweckmäßig
von
einem Wert (d/#)1min = 0,3 ausgegangen werden. Von der Frequenz
fo aus bewegt sich bei konstant gehaltenem Abstand der Wert d/# auf dem dick ausgezogenen
Bereich der Geraden d/# = 0,3.
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Bei Erreichen des Wertes (d/#)1max = 0,67 auf der Geraden d/#o = 0,3
tritt, wie bereits beschrieben, ein Herauswandern der Hauptstrahlungsrichtung aus
dem gewünschten Bereich auf.
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Es kann somit hier der Strahlerabstand nicht mehr auf dem bisherigen
Wert gehalten werden, wenn die gestellten Forderungen bezüglich des Strahlungsdiagrammes
eingehalten werden sollen.
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Es wird nun der Abstand des Strahlers und des Reflektors so weit verringert,
daß sich der Wert d/#o = 0,2 einstellt. Jetzt wird wiederum der Abstand d konstant
gehalten, so daß bei einer Erhöhung der Frequenz bis etwas über 3 f ein Teil der
Geraden d/#o = 0,2 durchlaufen wird. Der Abstand wird so lange konstant gehalten,
bis der eine Veränderung des Strahlungsdiagrammes ergebende Grenzwert von (d/#)1max
= 0,67 erreicht wird.
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Hier könnte nun erneut eine Verringerung des Abstandes vorgenommen
werden, und zwar auf einen Wert von d/#o zwischen 0,2 und 0,15. Es zeigt sich jedoch,
daß die dann noch erzielbare Variation bis zum Errcichen des Grenzwertes von 0,67
nur sehr gering ist. Der durch den geringstmöglichen Abstand zwischen Strahler und
Reflektor gegebene untere Grenzwert ist durch die gestrichelt gezeichnete Gerade
(d/#)min gegeben.
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Aus der Fig. 3b ergibt sich, daß für Werte von d/A zwischen etwa 1,25
und 1,6 erneut eine Strahlungshauptkeule in der xy-Ebene nach Fig. 1 auftritt [#
= O). Die Betrachtung des Strahlungsdiagramms in der H-Ebene nach Fig. 4b ergibt
jedoch, daß für den Winkel # = 0 für den Wert d/# = 1,25 die Strah1ungskeule noch
etwas zu schwach ausgebildet ist. Wie sich jedoch aus Fig. 4c ergibt, tritt bei
1,375 bereits eine ausgeprägte Hauptkeule in Richtung von # = 0 auf. Der unterste
mögliche Bereich für eine erneute Abstandsvariation lie6t also etwa im Wert zwischen
1,325 bis 1,575 und wird im vorliegenden Beispiel zu 1,325 gewählt und durch die
Linie (d/#)2min = bezeichnet.
Die oberste Grenze dieses neuen Abstandsbereiches
A2 ist, wie aus Fig. 3t und aus Fig. 4c bzw. 4d ersichtlich, bei etwa = = 1,6 anzuse-tzen
und in Fig. 5 durch die Linie angedeutet. In diesem neuen Abstandsbereich A2 wird
nun eine erneute Abstandsvariation vorgenommen, und zwar nach den gleichen Gesichtspunkten
wie beim ersten Abstandsbereich Al. Wie durch die dick ausgezogene senkrechte Linie
anged-eutet, wird zunächst der Abstand auf den Grenzwert bei d/A = 1,325 sich ergebenden
Wert für d/Ao = 0,392 eingestellt. Dieser Abstand wird von der Frequenz etwa 3,4
fo bis etwa 4,1 fo konstant gehalten, wo die Grenze von (d/#)2m 1,6 erreicht ist.
Dann erfolgt eine erneute Abstandsverringerung, so daß wiederum der Wert d/# = 1,325
erreicht wird, wobei sich ein d/#o von 0,323 ergibt. Mit diesem Abstand kann eine
Frequenz von etwa 4,9 f erreicht werden. Dann folgt eine erneute Abstandsvariation
auf d/Ao = 0,261, die bis zur Prequenz etwa 6 f beibehalten werden kann. Nach einer
weiteren Abstandsverringerung auf den Wert d/#o = 0,222 wird die Prequenz etwa 7,2
fo erreicht und eine weitere Abstandsverringerung auf den Wert 0,184 ermöglicht
es bereits über die Prequenz von 8 fo hinaus zu gelangen. Mit den eben beschriebenen
Maßnahmen, d.h. einer Abstandsvariation innerhalb eines ersten Abstandsbereiches
Al und einer weiteren Abstandsvariation innerhalb eines weiter außen beginnenden
Abstandsbereiches A2 kann also ein Frequenz band von mehr als 1:8 überstrichen werden.
Diese Abstandsvariation im zweiten Abstandsbereich A2 kann so@lange durchgeführt
werden, bis, wie im Zusammenhang mit Abstandsbereich Al erläutert, die gestrichelte
Linie (d/#)min erreicht wird, was etwa bei 10 i der Fall sein dürfte. Dann muß,
falls erforderlich, ein erneuter größerer Abstandssprung auf einen hier nicht dargestellten
Abstandsbereich A3 vorgenommen werden. Für die Ermittlung dieses Bereiches kann
in der gleichen-Weise vorgegangen werden, wie im Zusammenhang mit den Fig.3a, 3b
und 4a bis 4c beschrieben worden ist, d.h. es wird für verschiedene, über dem Wert
2,0 liegende Werte von d/# die
Strahlungscharakteristik aufgezeichnet
und es werden diejenigen Bereiche herausgesucht, bei denen sowohl bei # = O als
auch bei » = O Hauptstrahlungskeulen auftreten.
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Die vorstehend aufgeführten Zahlenbeispiele beziehen sich auf einen
Reflektor mit den im Zusammenhang mit Fig. 1 angegebenen Abmessungen und auf einen
Strahler mit den Dimensionen, welche im Zusammenhang mit Fig. 6 angegeben wurden.
Es ist nun möglich, sowohl die Strahlerabmessungen als auch die Reflektorabmessungen
und insbesondere den Öffnungswinkel zu variieren. Die Erfindung kann auch in diesen
Fällen herangezogen werden, wobei lediglich die Diagramme, wie sie in den Fig. 3a
und Db sowie 4a bis 4c gezeichnet sind, aufgenommen zu werden brauchen, und daraus
diejenigen Werte herausgezogen werden müssen, bei denen sich sowohl für # = 0 als
auch für #= O, d.h. in der gewünschten Hauptstrahlrichtung HR nach Fig. 1 Hauptstrahlungskeulen
ergeben.
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Die praktische Ausgestaltung einer Antennenanordnung, bei der das
Verfahren nach der Erfindung angewendet werden kann, besteht vorteilhaft in einer
Verschiebeeinrichtung, welche derart gestaltet ist, daß die gesamten, für den zu
erfassenden Frequenzbereich vorgesehenen Abstandsbereiche durchfahren werden können.
Hierzu kann beispielsweise bei kleineren Richtantennenanordnungen ein Spindeltrieb
vorgesehen sein, welcher als Führungseinrichtung für den Reflektor dient, wobei
der Strahler selbst festgehalten wird. Es ist auch möglich, den Reflektor festzuhalten,
und eine Verschiebung des Strahlers vorzunehmen, wobei allerdings dann hinter dem
Strahler die Speiseleitung auf einer Trommel oder in einer Schleife geführt werden
muß, um den Längenausgleich mitmachen zu können.
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Schließlich ist es auch möglich, sowohl für den Reflektor als auch
für den Strahler eine Verschiebeführung vorzusehen, derart, daß die resultierende
Abstandsvariation den gewünschten Abatandsbereichen entspricht.
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5 Patentansprüche 6 Figuren.