DE2136423A1

DE2136423A1 - BROADBAND ANTENNA FOR RECEIVER

Info

Publication number: DE2136423A1
Application number: DE19712136423
Authority: DE
Inventors: Peter Dipl Ing Benoit; Klaus Dr Ing Pfaff; Hermann Dr Ing Zauscher
Original assignee: C Plath GmbH Nautisch Elektronische Technik
Current assignee: C Plath GmbH Nautisch Elektronische Technik
Priority date: 1971-07-21
Filing date: 1971-07-21
Publication date: 1973-02-01
Also published as: DE2136423C3; DE2136423B2

Description

Breitbandantenne für Peilempfänger Die Erfindung betrifft eine nur auf den magnetischen Vektor des elektro-mat,netischen Feldes ansprechende Rahmenantenne, bzw. nur auf den elektrischen Vektor ansprechende Dipolantenne, und ihr Wesen besteht darin, daß sie infolge besonderer Gestaltung ihrer Energieauskopplung und ihres Aufbaus in einem sehr weiten Frequenzbereich hinsichtlich reflexionsfreier Empfängeranpassung und hinsichtlich der Empfangskennlinie brauchbar ist. Sie zeigt für die Rahmenantenne keine Aufnahme horizontal polarisierter, horizontal einfallender Wellen, die besonders im Bereich höherer Frequenzen infolge der den herköinmlichen Rahmen eingeprägten Dipolwirkung zu Fehlpeilungen führen würde.Broadband antenna for direction finder The invention relates only to one loop antenna responding to the magnetic vector of the electromatic, netic field, or dipole antenna responding only to the electric vector, and its essence exists in the fact that, as a result of their special design, their energy extraction and their Structure in a very wide frequency range with regard to reflection-free receiver adaptation and is useful with regard to the reception characteristic. She points for the loop antenna no recording of horizontally polarized, horizontally incident waves, the particularly in the range of higher frequencies as a result of the traditional framework Dipole effect would lead to incorrect bearings.

Der bisherige Stand und -die -erfindungsgemäßen ilçIaSnahmen sollen an Hand der beigefügten Skizzen näher erläutert werden Betrachtet man Antennen unter dem Gesichtspunkt konzentrierter Schaltelemente,- dann- stellen bekanntlich herkömmliche, ungeschirmte Rahmenantennen nach Fig.la einen aus Leit-ungæinduktivität 1 und Schaltungskapazität 2 gebildeten Parallelschwingkreis dar. Sie besitzen eine charakteristische Resonanzstelle mit großer Empfindlichkeit, die jedoch frequenzabhängig und von geringer Bandbreite ist. Außerhalb der Bandbreite nimmt die Empfindlichkeit rasch ab. Außerdem geht im Resonanzpunkt bekanntlich der Innenwiderstand der Rahmenantenne vom induktiven in den kapazitiven Bereich über und es treten Anpassungsschwierigkeiten an das nachgeschaltete Feederkabel und den Empfänger auf. Kommt für Peilzwecke die Rahmenantenne nicht als Drehrahmen, sondern in der bekannten Form zweier- gekreuzter Rahmen zur Anwendung, so steht-ihrem Betrieb im Resonanzpunkt auch noch die Tatsache entgegen, daß es auf grund aufbaumäßiger und zeitlich variabler Umwelteinflüsse praktisch unmöglich ist, beide Rahmen mit gleicher Resonanzfre-quenz zu betreiben. Bei dadurch zwangsläufig auseinanderliegenden Resonanzmaxima weisen beide Rahmen unterschiedlichen Empfindlichkeitsverlauf und Phasengang auf und verursachen dadurch beträchtliche Peilfehler.The previous status and the -inventive ilçIaSamen should are explained in more detail with the aid of the attached sketches from the point of view of concentrated switching elements, - then, as is well known, conventional, unshielded loop antennas according to Fig.la one made of conduction inductance 1 and circuit capacitance 2 formed parallel resonant circuit. They have a characteristic resonance point with great sensitivity, which, however, depends on the frequency and has a narrow bandwidth is. Outside the bandwidth, the sensitivity decreases rapidly. Also goes As is known, the internal resistance of the loop antenna from the inductive one at the resonance point into the capacitive area and there are difficulties in adapting to the downstream Feeder cable and the receiver. The loop antenna does not come for direction finding purposes as a rotating frame, but in the familiar form of two crossed frames for use, so the fact that it practically impossible due to structural and temporally variable environmental influences is to operate both frames with the same resonance frequency. With this inevitably resonance maxima that are apart from each other have different sensitivity curves in both frames and phase response and thereby cause considerable bearing errors.

Aus den genannten Eigenschaften läßt sich die Forderung ableiten, daß ein guter Peilrahmen elektrisch aperiodisch mit einem möglichst konstanten, ohmischen Innenwiderstand sein muß. Es sind auch Schaltungen bekannt geworden, die durch reziproke Ergänzungen, z.B. nach Art .einer Boucherot-Schaltung, eine Rahmenantenne ohmisch zu machen gestatten. Sie sind jedoch technisch aufwendig und nicht genügend breitbandig. Das Gesagte gilt für einfache Dipolantennen analog. Eine Lösung ergibt sich weiter durch eine Betrachtung der Antennen unter Gesichtspunkten der ieitungstheorie.The requirement can be derived from the properties mentioned, that a good DF frame is electrically aperiodic with a constant, ohmic internal resistance must be. There are also circuits known that by reciprocal additions, e.g. like a Boucherot circuit, a loop antenna allow to make ohmic. However, they are technically complex and insufficient broadband. What has been said applies analogously to simple dipole antennas. A solution results further by considering the antennas from the point of view of conduction theory.

Bekanntlich bildet eine Rahmenantenne nach ig. la auch eine Zweidrahtleitung mit einem Leitungsende 3-3, das kurzgeschlossen ist. Bei offenem Leitungsende geht die Rahmenantenne in die bekannte Form des U-Adcocks über (Fig. 1b). Jeder beliebige Abschlußwiderstand 4 in Fig. 1c ist zwischen diesen Extrema denkbar. Sinnvoll ist es, die Leitung mit ihrem Wellenwiderstand abzuschließen. Der Wellenwiderstand ergibt sich bekanntlich aus Leiterabstand und Leiterdicke. Es besteht die Löglichkeit, auf diese Weise eine Rahmenantenne z.B. auch auf den Wellenwiderstand eines Kabels anzupassen. Die Schwierigkeit liegt hierbei darin, daß sich die physikalisch bedingten, gegenseitigen Beziehungen zwischen Leiterdurchmesser und Leiterabstand beim Rahmen oder beim Kabel oft technisch nicht yerwirklichen lassen. Beim Dipol macht sich vor allem die erin Breitbandigkeit störend bemerkbar.As is known, a loop antenna forms according to ig. la also a two-wire line with one line end 3-3 that is short-circuited. Goes with an open end of the line the loop antenna in the known form of the U-Adcock (Fig. 1b). Anyone Terminating resistor 4 in Fig. 1c is conceivable between these extremes. Is useful it to terminate the line with its wave impedance. The wave resistance results is known from the conductor spacing and conductor thickness. There is a possibility in this way a loop antenna, e.g. also on the characteristic impedance of a cable adapt. The difficulty here is that the physically determined, mutual relationships between conductor diameter and conductor spacing in the frame or often not technically feasible for cables. The dipole does especially the erin broadband noticeable disturbing.

Bei der bisher betrachteten Antennenart fallen die Aufnahme der Feldenergie und die Ableitung zum Empfänger in ein und demselben Leitungszug zusammen, im Falle des bekannten, statisch geschirmten Rahmens nach Fig. 2c sind diese Funktionen getrennt. Überlagert man nämlich eine Antenne der Fig. la mit ihrem Spiegelbild (Fig. 2a), so erhält man ein Gebilde nach Pig. 2b, das sich einmal als Bandfilter aus zwei eng gekoppelten Parallelschwingkreisen 5 und 6 interpretieren läßt, wobei der Kreis 6 die Feldenergie aufnimmt und der Kreis 5 der Auskopplung derselben und ihrer Weitergabe an0 das Antennenkabel dient. Zum anderen - vor allem zu hohen Frequenzen hin - kann man Fig. 2b als zwei Paralleldraht-Leitungen mit kapazitiv geschlossenen und wecheelsinnig in Serie geschalteten Enden 7-8 bzw. 9-10 ansehen. Die koaxiale Version dieser Ausfuehrung ergibt den bekannten, statisch geschirmten Rahmen (Fig. 2c). Die Energie wird hier durch den äußeren Leiter 6, dem "Schirm" aufgenommen und an der Trennstelle 7-8 kapazitiv auf die "Ableitung" 5 betragen. Die Ableitung im Innern des Schirmes bildet im Zusammenhang mit diesem einen Wellenleiter mit einem, den bekannten Bedingungen für Koaxialleitungen gemäßen, spezifischen Widerstand Zl.With the antenna type considered so far, the absorption of the field energy falls and the lead to the receiver in one and the same line run together, in the case of the known, statically shielded frame according to FIG. 2c, these functions are separated. If one superimposes an antenna of Fig. La with its mirror image (Fig. 2a), thus one obtains a structure according to Pig. 2b, which is once a band filter made up of two closely coupled parallel oscillating circles 5 and 6 can be interpreted, whereby the circle 6 absorbs the field energy and circle 5 decouples it and passes it on an0 the antenna cable is used. On the other hand - especially towards high frequencies - can Fig. 2b as two parallel wire lines with capacitively closed and alternating directions see ends 7-8 or 9-10 connected in series. The coaxial version of this version results in the known, statically shielded frame (Fig. 2c). The energy is here added by the outer conductor 6, the "screen" and at the separation point 7-8 be capacitive to the "derivative" 5. The dissipation forms inside the screen in connection with this one waveguide with one, the known conditions for coaxial lines, specific resistance Zl.

Nun ist bei den geschirmten Rahmen bisheriger Bauart der Wellenwiderstand, der sich aus dem Drahtdurchmesser der Ableitung und dem Innendurchmesser des Antennenrohres bestirnmt, unberdcksichtigt geblieben und aus konstruktiven Gründen nicht immer in passender Größe wählbar. Es ergeben sich Anpassungsschwierigkeiten an das nachfolgende Antennenkabel, sodaß Rahmen bisher nicht breitbandig angepaßt-vertendet werden konnten. So ist auch eine Form bekannt geworden, die ein durchlaufendes Kabel als Antenne benutzt. Wegen der notwendigen Kompensationsmittel ist diese Antenne jedoch ebenfalls nicht breitbandig genug.Now, with the shielded frames of the previous design, the wave resistance, which results from the wire diameter of the lead and the inner diameter of the antenna tube determined, neglected and not for constructive reasons always Selectable in the appropriate size. There are difficulties in adapting to the following Antenna cable, so that frames could not be adapted to broadband up to now. A form has also become known that uses a continuous cable as an antenna used. However, because of the necessary compensation means, this antenna is also not broad enough.

In dem erfindungsgemäßen Aufbau Fig. 3 wird daher erstens der die Feldenergie aufnehmende, primäre Antennenkreis 6 durch den Abschlußwiderstand 4 breitbandig abgeschlossen, zweitens wird gleichzeitig durch 4 die Auskopplung der Feldenergie, statt wie bisher über einfache kapazitive Kopplung, jetzt ohmisch vorgenommen und drittens wird der für die Ableitung der Energie bisher vorgesehene einfache Draht 5 durch definierte Wellenleiter 11 ersetzt, die durch der Energieauekopplung dienenden Teile des Abschlußwiderstandes 4 ebenfalls mit ihrem Wellenwiderstand abgeschlossen sind.In the structure according to the invention, Fig. 3, the primary antenna circuit 6, which receives the field energy, is terminated in a broadband manner by the terminating resistor 4; for the dissipation of the energy previously provided simple wire 5 replaced by defined waveguide 11, which by the energy decoupling serving parts of the terminating resistor 4 are also terminated with their characteristic impedance.

Fig. 4 zeigt eine erfindungsgemäße Form, bei der die Antenne -hier ein Dipol - durch den Mantel des Wellenleiters gebildet wird und die Auskopplung bei 7-8 niederohmig in Parallelschaltung erfolgt.Fig. 4 shows a form according to the invention in which the antenna - here a dipole - is formed by the cladding of the waveguide and the coupling-out at 7-8 low resistance in parallel connection.

Fig. 5 zeigt eine erfindungsgemäße Form, bei der der primäre Antennenkreis in mehreren Windungen z.B. einen Ferritstab 18 umgibt.Fig. 5 shows a form according to the invention in which the primary antenna circuit surrounds, for example, a ferrite rod 18 in several turns.

Fig. 6 zeigt eine erfindungsgemäße Ausführung in der Form, daß für sehr kurze Wellen eine Paralleldrahtleitung in gedruckter Leiterführung zur Anwendung gelangt.Fig. 6 shows an embodiment of the invention in the form that for very short waves a parallel wire line in printed conductor routing for use got.

Läßt sich so erfindungsgemäß durch eine lückenlose Anpassung an dem Empfängereingang ein aperiodischer Empfindlichkeitsverlauf von Antennen in einem weiten Frequenzbereich erreichen, was - auf Rahmen angewendet - Peilfehler durch unterschiedlichen Empfindlichkeitsverlauf vermeidet, so muß noch einem weiteren Fehler begegnet werden, der einer- breitbandigen Verwendung speziell von Rahmenantennen für Peilzwecke entgegensteht. Dieser Fehler drückt sich darin aus, daß ein Rahmen mit wachsender Frequenz in einen Paltdipol übergeht, d.h., es tritt für horizontal polarisierte Wellen, die ohne Elevation einfallen, ein Empfangsmaximum auf, das normal zur Rahmenfläche liegt; eine Richtung, die fur Peilzwecke ein Empfangsminimum zeigen sollte. Der Fehler ist abhängig vom Verhältnis der Wellenlänge zur Rahmengröße und muß kompensiert werden, um im Interesse einer breitbandigen Verwendung der Rahmenantenne deren Fläche im langwelligen Verwendungsbereich nicht zu klein werden zu lassen.Can be so according to the invention by a seamless adaptation to the Receiver input an aperiodic sensitivity curve of antennas in one Achieve a wide frequency range, which - when applied to frames - causes DF errors avoids different sensitivity course, so must still another Errors are encountered, the broadband use especially of loop antennas for direction finding purposes. This error is expressed in the fact that a frame changes into a Paltdipole with increasing frequency, i.e. it occurs horizontally polarized waves that arrive without elevation have a reception maximum that is normal to the frame surface; a direction that is a minimum reception for direction finding purposes should show. The error depends on the ratio of the wavelength to the frame size and must be compensated for in the interest of broadband use of the loop antenna not to let their area become too small in the long-wave area of use.

Betrachtet man in Fig. 7 zunächst einmal nur die obere Hälfte der Skizze, so liegt der Rahmen, der mit Nr.12 bezeichnet ist, beispielsweise in der Phasenebene der durch die Vektoren E und H dargestellten elektro-magnetischen~Welle. Tangential an die Auskoppelstelle 13 inuß man sich den gestrichelt gezeichneten, fiktiven Dipol 14-15 denken, der durch die gezeichnete Polarisationsrichtung des Feldes durch den E-Vektor maximal erregt wird, obwohl der Rahmen selbst in jeder Polarisationsrichtung für die H-Komponente des Feldes im iflinimum liegt.If one considers in Fig. 7 first of all only the upper half of the Sketch, the frame, which is marked with number 12, is, for example, in the Phase plane of the electromagnetic wave represented by the vectors E and H. Tangential to the decoupling point 13, one must look at the dashed lines, fictitious dipole 14-15 think of the polarization direction of the Field is maximally excited by the E-vector, although the frame itself is in each The direction of polarization for the H component of the field is in the iflinimum.

Diesen Dipoleffekt kann man in an sich bekannter Weise - wie in der Pig. 7a angegeben - durch Spiegelung der Antenne nach 12' und kreuzweiser Parallelschaltung der Auskoppelstellen 13 und 13' aufheben. Die lipoletröme kompensieren sich in der gemeinsamen Ableitung, während sich die Rahmenströme addieren.This dipole effect can be seen in a manner known per se - as in the Pig. 7a indicated - by mirroring the antenna after 12 'and crosswise parallel connection the decoupling points 13 and 13 'cancel. The lipole currents compensate each other in the common derivative, while the frame currents add up.

Die Rahmenwirkung der Antenne bleibt also erhalten.The frame effect of the antenna is therefore retained.

Das Prinzip der "astatischen" Anordnung wurde bisher jedoch nur auf einfache Rahmen angewandt. Die erfindungsgemäße Anordnung stellt nun eine Weiterentwicklung unter Verwendung aperiodischer Rahmen dar. Wesentlich dabei ist die Umkehrung der Spiegelungsrichtung. Die Auskopplungsstellen liegen jetzt nicht mehr eng benachbart, sondern diametral gegenüber, wie in Fig. 7b dargestellt. Diese Umkehrunghat sich im praktischen leilbetrieb besonders-bewährt. Eine Kompensation der Diptlwirkung ist ja nur dann gewährleistet, wenn an den Anschlußstellen der Rahmen keine unkontrollierbaren, unsymmetrischen Verkopplungen auftreten, was kaum zu verhindern ist. Durch die räumliche Trennung der Auskopplungsstellen wird eine gegenseitige Beeinflussung verringert, wogegen die fiktiven Dipole 14-15 und 14'-15' unter dem Aspekt, daß sie einen horizontalen H-Adcock bilden, ihre Empfangs-Nullstelle normal zur Rahmenfläche beibehalten.The principle of the "astatic" arrangement has so far only been based on simple framework applied. The arrangement according to the invention now represents a further development using aperiodic framework. The reversal of the Mirroring direction. The outcoupling points are no longer closely adjacent, but diametrically opposite, as shown in Fig. 7b. This reversal has happened particularly proven in practical operation. A compensation for the dip effect is yes only guaranteed if there are no uncontrollable, asymmetrical couplings occur, which can hardly be prevented. Through the spatial Separation of the decoupling points reduces mutual interference, whereas the fictitious dipoles 14-15 and 14'-15 'under the aspect that they are horizontal Form H-Adcock, keep their reception zero normal to the frame surface.

Die Auskopplungsstellen 7-8 und 7'-8' und die Ableitungen 11 und 11' einer sogearteten erfindungsgemäßen Antenne nach Fig. 8 werden in der schon beschriebenen Weise reflexionsfrei ausgeführt. Die Ableitungen werden elektrisch auf exakt gleiche länge abgeglichen und können, da sie stets im Innern des Systems verlaufen, bzw. selbst Teile des Systems sind, keine Feldstörungen verursachen. Ihre gegensinnige Parallelschaltung erfolgt an beliebiger Stelle nach ihrem Austritt aus dem Tragrohr 16 des Antennensystems. Besonders vorteilhaft ist es dabei, für den Aufbau des Rahmens und für die Ableitung Kabel des gleichen Wellenwiderstandes verwenden zu können, da durch die kreuzweise Parallelschaltung (und damit Halbierung des Wellenwiderstandes) die ursprüngliche Serienschaltung (und damit Verdopplung des Wellenwiderstandes) aufgehoben wird. Zum uebergang vom symmetrischen Antennenausgang auf koaxiale Feederleitungen genügt ein breitbandiger Balun-Ubertrager 17 des Ubersetzungsverhältnisses 1:1 bzw. 4:1.The decoupling points 7-8 and 7'-8 'and the leads 11 and 11' a so-called antenna according to the invention according to FIG. 8 are already described in FIG Way executed without reflection. The leads are electrically on exactly the same length and can, since they always run inside the system, or are themselves part of the system and do not cause field disturbances. Your opposite Parallel connection takes place at any point after it emerges from the support tube 16 of the antenna system. It is particularly advantageous for the construction of the frame and to be able to use cables with the same wave impedance for the derivation, because the crosswise parallel connection (and thus halving the characteristic impedance) the original series connection (and thus doubling of the characteristic impedance) will be annulled. For the transition from the symmetrical antenna output to coaxial feeder lines A broadband balun transformer 17 with a transmission ratio of 1: 1 or 4: 1.

Weiterhin kann der nutzbare Frequenzbereich der Antenne zu tiefen Frequenzen hin erweitert werden, wenn nach Fig. 9 in der speziellen Ausführungsform einer Kreuzrahmenantenne aus zwei gekreuzten Rahmen nach Fig. 8 die über die mittleren, horizontalen Rahmenteile zur weiteren Unterdrückung der Aufnahme horizontal polarisierter Wellen geschobenen Ferritrohre 18 ebenfalls mit einer Antennenwicklung 19 der schon beschriebenen erfindungsgemäßen Art versehen sind. Nach den allgemeinen Eigenschaften von Ferritantennen ist dabei peiltechnisch die in der Zeichenebene dargestellte Ferritantenne dem normal zur Zeichenebene stehenden Luftrahmen zugeordnet und umgekehrt. Wie schon in Pig. 4 skizziert, können auch Dipole in der beschriebenen Weise angepaßt werden. Ein aus solchen Dipolen aufgebautes Adcock-Element ist in Fig. 10 z.B. in der Form eines U-Adcocks dargestellt.Furthermore, the usable frequency range of the antenna can be too low Frequencies are extended towards when shown in Fig. 9 in the special embodiment a cross frame antenna made of two crossed frames according to Fig. 8, which over the middle, horizontal frame parts to further suppress the inclusion of horizontally polarized Shafts pushed ferrite tubes 18 also with an antenna winding 19 of the already described type according to the invention are provided. According to the general characteristics of ferrite antennas is the one shown in the plane of the drawing Ferrite antenna is assigned to the air frame normal to the plane of the drawing and vice versa. Like in Pig. 4 outlined, dipoles can also be adapted in the manner described will. An Adcock element made up of such dipoles is shown in Fig. 10, e.g. shown in the form of a U-Adcock.

P a t e n t a n 5 p r ü c h e:P a t e n t a n 5 p r ü c h e:

Claims

P a t e n t a n s p r ü c h e: @eilantenne in railmen or dipole form, in a wide frequency range (at least 1: 4) to a given, ohmic Receiver resistance adapted and against filing errors by horizontally polarized detector of horizontally incident electromagnetic waves is insensitive, as a result characterized in that ci ie decoupling of the antenna voltages via ohmic resistors and the derivation of these voltages 1: inside the antenna parts via one another ! light high-frequency lines are carried out, whereby the decoupling resistances are to be selected in this way are that they are at the same time the: antenna circuit and the high-frequency lines reflection-free to lock,

2. Sections of the high-frequency lines used according to claim (1) biluen the antenna itself and z.3. made of parallel wire lines in a printed circuit exist,

3. Sections of the high-frequency lines used according to claim (1) the antenna itself is made up of coaxial cables, which are wound in several turns are wound, exist, 4. for an antenna used in the form of a frame The vertical frame of the antenna consists of two identical ones connected in the middle Subframe according to claim (1) or (2) and their decoupling points for the voltages induced by the field are diametrically opposed, 5. for one Antenna used in Adcock form designed the dipoles according to claim (1) or (2) are, 6. by a double frame according to claim (4) or Adcock according to claim (5) dissipating high-frequency lines are electrically the same length and outside of the standpipe are interconnected in such a way that an opposing parallel connection of the two frame halves or Adcock dipoles, 7. which form the antenna Lines and the antenna cable leading to the receiver have such a characteristic impedance received that the transition from the balanced antenna output to the coaxial Antenna cable through a balancing circuit with the simple transmission ratio 1: 1 or 4: 1, 8. the middle, e.g. horizontal parts of a frame according to claim (4) run in ferrite tubes and these Perrit tubes at the same time Claim (3) are wound as an antenna, so that in addition to improved shielding against horizontal recording of the entire antenna also the frequency range of the antenna is enlarged.

Documents considered: German Patent No. 912 583 German patent specification No. 881 811 J. Großkopf, "On the theory of receiving antennas, Message from the Central Telecommunications Office, magazine for vibration and Schwachstromtechnik Brd.4 1950, No. 10