DE2164868A1 - Rundstrahlantenne - Google Patents

Description

Patentanwalt
7 Stuttgart 30
Kurze Straße 8

W. M. Spanos -11

INTERNATIONAL STANDARD ELECTRIC CORPORATION, NEW YORK

Rundstrahlantenne

Die Erfindung betrifft eine Sende- und Empfangs rundstrahlantenne, insbesondere für den Funknachrichtenverkehr und/oder die Funknavigation. Weil bei Flugzeugen nur ein begrenzter Raum zur Anbringung der Antennen zur Verfügung steht und weil eine immer größere Anzahl von Antennen mit Strahlern für die verschiedensten Aufgaben benötigt wird, geht man mehr und mehr dazu über, kompakte Vielzweckstrahler zu entwickeln, die mehr als eine Funktion erfüllen können. Es ist z. B. bei Mobilstation erforderlich, daß Funkverkehr und Funknavigation gleichzeitig nebeneinander durchgeführt werden, entweder auf verschiedenen Frequenzbändern oder auch auf dem gleichen Frequenzband. Die dabei geforderten Antenneneigenschaften bezüglich des Strahlungsdiagramms und der Polarisation sind meist unter-

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schiedlich. Das Aufkommen von Funk- und Navigations systemen, die mit Satelliten zusammenarbeiten, hat die Entwicklung gemeinsamer Vielzweckantennen kompliziert, weil die Anforderungen bezüglich des Strahlungsdiagramms und der Polarisation sieh von den Anforderungen bei quasioptischen Boden-Boden- und Boden-Bord-Funkverbindungen unterscheiden. Satelliten-Systeme benötigen zirkuläre Polarisation und ein Rundstrahldiagramm zum Verkehr mit der Bodenstation.

^ Mit der Erfindung soll eineRundstrahlantenne als Vielzweckantenne geschaffen

werden, die bei Satelliten-Systemen, quasioptischen Nachrichten- und Navigations sys tem en eingesetzt werden kann. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß zur Erzeugung von gleichzeitig vorhandenen vertikal polarisierten und/oder links- und rechtsdrehend zirkularpolarisierten Rundstrahldiagrammen eine Kreuzdipol-Antenne vorgesehen ist, deren vier Antennenelemente durch einen ringförmigen Teil um die Antennenachsen mechanisch und elektrisch miteinander verbunden sind, daß der äußere Teil jedes Antennenelementes in einem Winkel von 90 zur Antennenachse nach unten abgebogen ist, daß eine Scheibe vorgesehen ist, die oberhalb der Kreuz-

^ dipol-Antenne angeordnet und durch einen zylinderförmigen Teil um die

Antennenachse mechanisch befestigt ist, und daß die zirkularpolarisierte Energie zwei nebeneinanderliegenden Antennenelementen und die vertikal polarisierte . zwei gegenüberliegenden Antennenelementen zugeführt wird.

Bei einer ersten Abwandlung der erfindungsgemäßen Anordnung wird die zirkularpolarisierte Energie über zwei Koaxial-Kabel zugeführt, die zunächst parallel zur Antennenachse verlaufen und in Höhe des ringförmigen Teils nach innen abgebogen sind. Die Mittelleiter der beiden Koaxial-Kabel sind mit dem ringförmigen Teil und die Außenleiter mit dem zylinderförmigen Teil verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem, Außenleiter und dem zylinder-

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förmigen Teil eine Viertelwellenlänge unterhalb des ringförmigen Teils angeordnet ist. Die vertikal polarisierte Energie wird über ein in der Mastmitte verlaufendes Koaxial-Kabel zugeführt, das mit einem oberhalb der Scheibe angeordneten Verteiler verbunden ist. Die Innenleiter der- beiden Ausgangsleiter des Verteilers sind mit zwei gegenüberliegenden Antennenelementen und die Außenleiter mit der Scheibe verbunden.

Nach einer zweiten Abwandlung der erfindungsgemäßen Anordnung wird die zirkular-polarisierte Energie über zwei Koaxial-Kabel zugeführt, die in zwei nebeneinanderliegenden Antennenelementen verlaufen. Die Innenleiter der beiden Koaxial-Kabel sind mit dem ringförmigen Teil verbunden. Die Zuführung der vertikal polarisierten Energie erfolgt über ein in der Mastmitte verlaufendes Koaxial-Kabel, das mit einem unterhalb der Scheibe angeordneten Verteiler verbunden ist. Die Innenleiter der beiden Ausgangsleitungen des Verteilers sind mit der Scheibe und die Außenleiter mit dem zylinderförmigen Teil verbunden, wobei die Verbindung zwischen dem Außenleiter und dem zylinderförmigen Teil jeweils eine Viertelwellenlänge unterhalb des ringförmigen Teils angeordnet ist.

Die erfindungs gemäß en Anordnungen können auch als Empfangs antenne verwendet werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig. 1 einen senkrechten Schnitt durch ein

erstes Ausführungsbeispiel einer Rundstrahlantenne mit oben gelegenem Verteiler,

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Fig. 2 einen waagrechten Schnitt entlang der

Linie II-II durch die Antenne nach Fig. 1,

Fig. 3 einen waagrechten Schnitt entlang der Linie III-III durch die Antenne nach Fig. 1 und ihre Speiseschaltung,

Fig. 4 einen senkrechten Schnitt durch ein

zweites Ausführungsbeispiel einer Rundstrahlantenne mit unten gelegenem Verteiler und

Fig. 5 einen waagrechten Schnitt entlang der

Linie V-V durch die Antenne nach Fig. 4.

Zur Erläuterung sind nachstehend einige Anwendungen der erfindungsgemäßen Antenne aufgeführt:

Anwendung Polarisation Frequenzbereich Strahlungsdiagramm

UHF-Funk- vertikal 225-400 MHz vertikaler

verbindung Doppelkreis

UHF-Satelliten- links- und rechts- 225-400 MHz halbkugelförmig

Funkverbindung drehend, zirkulär

DME/TACAN vertikal 960-1125MHz vertikaler

RSB/IFF Doppelkreis

Die Fig. 1, 2 und 3 zeigen ein Ausführungsbeispiel einer Rundstrahlantenne. Vier aufeinander senkrecht stehende Antennenelemente 1, 2, 3 und 4 bilden eine Kreuzdipol-Antenne, bei der die jeweils gegenüberliegenden Antennen-

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elemente einen Dipol bilden, ζ. B. die Antennenelemente 1 und 3 zusammen und die Antennenelemente 2 und 4 zusammen. Durch Erregung mit um 90 gegeneinander phasenverschobener Energie wird ein rechts- oder linksdrehend zirkularpolarisiertes Rundstrahldiagramm erzeugt. Die Antennenelemente sind über ein ringförmiges Teil 5, das koaxial im Antennenmast angeordnet ist, mechanisch und elektrisch miteinander verbunden. Die Energie wird über die Koaxial-Kabel 6 und 7 zugeführt, die zwei senkrecht aufeinanderstellenden Elementen zugeordnet sind, z. B. den Antennenelementen 1 und Beim Empfang mit der Kreuzdipol-Antenne haben die Koaxial-Kabel 6 und 7 die entsprechende Punktion.

Die Koaxial-Kabel 6 und 7 haben jeweils einen ersten Teil 8, der aufwärts parallel zur Antennenachse zum Antennenelement 1 bzw. 4 führt, und einen zweiten Teil 10, der rechtwinklig zum ersten Teil 8 abgebogen ist und innerhalb des Antennenelementes 1 bzw. 4 verläuft. Der Mittelleiter 11 des Teils 10 ist mit dem ringförmigen Teil 5 elektrisch verbunden.

Die über die Koaxial-Kabel 6 und 7 zugeführte Energie fließt in den ringförmigen Teil 5 und in die Antennenelemente 1 bis 4. In der Fig. 2 bezeichnen die durchgezogen gezeichneten Pfeile den Strom i, der beim Senden über das Koaxial-Kabel 6 den Dipolen zugeführt wird, bzw. beim Empfang von den Dipolen an das Koaxial-Kabel 6 weitergeleitet wird. Am Verbindungspunkt zwischen dem Mittelleiter 11 und dem ringförmigen Teil 5 teilt sich der Strom i in zwei Teile, so daß im ringförmigen Teil 5 der Strom i/2 fließt. Der Strom i/2 fließt in den beiden Antennenelementen 2 und 4 nach außen und wieder zurück, so daß er sich durch gleiche Größe und entgegengesetzte Richtung aufhebt. Der Strom i/2 fließt dann im ringförmigen Teil 5 weiter zum Antennenelement 3, wo er sich algebraisch addiert, so daß im Antennenelement 3 wieder der Strom i fließt. Der vom Koaxial-Kabel 7 zugeführte

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Strom i' ist in der Pig. 2 durch die gestrichelt gezeichneten Pfeile bezeichnet. Der Strom i'teilt sich ebenfalls am Verbindungspunkt des Mittelleiters 11'

ι mit dem ringförmigen Teil 5 in zwei Teile. Die Ströme i/2 fließen in den Antennenelementen 1 und 3 nach außen und zurück, so daß sie sich durch gleiche Größe und entgegengesetzte Richtung aufheben. Die Ströme i/2 addieren sich wieder algebraisch im Antennenelement 2, so daß in diesem der Strom i* fließt. Es ist aus dem oben Gesagten klar verständlich, daß über den ringförmigen Teil 5 die Energie den beiden Dipolen der Kreuzdipol-Antenne ohne gegenseitige Störung zugeführt werden kann. Die Energie für das gewünschte Links- und Rechtsdrehen des polarisierten Rundstrahldiagramms wird von einer 90 Gabelschaltung 12 geliefert, deren Eingang 13 beim Linksdrehen und deren Eingang 14 beim Rechtsdrehen mit zirkularpolarisierter Energie gespeist werden. In der Fig. 2 wird die Phasenverschiebung auf den Ausgangsleitungen 15 und 16 der 90- - Gabelschaltung 12 für die linksdrehend

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zirkularpolarisierte Energie durch 0 und 90 gekennzeichnet, während die Phasenverschiebung für die rechtsdrehend zirkularpolarisierte Energie durch (90 ) und (0 ) gekennzeichnet ist.

Die äußeren Teile der Antennenelemente 1 bis 4 sind in einem Winkel von weniger als 90 zur senkrechten Antennenachse nach unten abgebogen. Die Länge der abgebogenen Teile ist jeweils länger als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz der Kreuzdipol-Antenne. Die abgebogenen Teile der Antennenelemente 1 bis 4 der Kreuzdipol-Antenne simulieren einen Kegelnder zusammen mit einer Scheibe 17 eine Antenne bildet, die das gewünschte vertikal polarisierte Rundstrahldiagramm erzeugt.

Ein mit der Antennenachse koaxiales zylinderförmiges Teil 9 trägt an seinem oberen Ende eine Scheibe 17, die oberhalb der Kreuzdipol-Antenne angeordnet ist. Zur Energiezuführung dient ein Koaxial-Kabel 18, das koaxial zur

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Antennenachse durch den zylinderförmigen Teil verläuft und an einen Verteiler 19 angeschlossen ist. Der Verteiler 19 hat als Ausgangsleitung zwei Koaxial Kabel 20 und 21. Das Koaxial-Kabel 18 hat einen Wellenwiderstand von 50 Ohm und die Koaxial-Kabel 20 und 21 haben einen Wellenwiderstand von 100 Ohm. Die Koaxial-Kabel 20 und 21 haben eine Länge entsprechend einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz der Kreuzdipol-Antenne, um offene Stichleitungen zwischen den Antennen elementen 1 und 2 zu erhalten. Der Mittelleiter 22 des Koaxial-Kabels 20 und der Mittelleiter 23" des Koaxial-Kabels 21 sind durch Löcher in der Scheibe 17 geführt und mit den Antennenelementen 1 und 3 verbunden, um Speisepunkte für die Antenne, die aus den vier Antennenelementen und der Scheibe 17 besteht, zu erhalten. Die beim Senden an die Antenne gelegte Energie bzw. die beim Empfang von der Antenne abgeleitete Energie ist gleichphasig um das vertikal polarisierte Rundstrahldiagramm zu erhalten. Durch die gleichphasige Erregung der Antenne wird auch der zylinderförmige Teil 9 erregt. Um zu verhindern, daß die Erregung des zylinderförmigen Teils 9 das Strahlungsdiagramm verzerrt, sind zwischen der äußeren Manteloberfläche des zylinderförmigen Teils 9 und den Außenleitern der Koaxial-Kabel 6 und 7 Verbindungsstücke 24 und 24' angeordnet, die in einem Abstand von einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz der Antenne unterhalb der Antennenelemente 1 und 4 angeordnet sind. Damit wird eine Viertelwellenlängensperre für die den zylinderförmigen Teil 9 erregende Hochfrequenzenergie gebildet, die einen Kurzschlußstromkreis darstellt. Der mechanische Aufbau der Viertelwellenlängensperre wird dadurch vervollständigt, daß Verbindungsstücke 25 und 26 zwischen das Antennenelemente 3 und die äußere Mantelfläche des zylinderförmigen Teils 9 und Verbindungsstücke 27 und 28 zwischen das Antennenelement 2 und die äußere Mantelfläche des zylinderförmigen Teils 9 gelegt sind. Die Verbindungsstücke 26 und 28 sind wieder im Abstand von einer Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz der Antenne von ihren zugehörigen Antennenelementen 3 und 2 angeordnet.

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Wie Fig. 1 zeigt, ist der Abstand zwischen den äußersten Enden gegenüberliegender Antennen elemente z. B. der Antennenelemente 1 und 3, größer als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz; der Betrag sei D. Andererseits ist der Durchmesser der Schabe 17 kleiner als eine Viertelwellenlänge der Betriebsfrequenz und seine Größe ist bezogen auf den Abstand D ungefähr 0, 7 D.

Die Koaxial-Kabel 20 und 21 bilden zusammen mit dem Verteiler 19 offene Stichleitungen an den Speisepunkten der Antenne in Bezug auf die phasenverschobene oder symmetrische Erregung derJCreuzdipol-Antenne, um eine gegenseitige Beeinflussung zu verhindernd/daß die beiden Koaxial-Kabel 20 und 21 jeweils einen Wellenwiderstand von 100 Ohm haben, erübrigt sich ein Wandler für den Wellenwiderstand. Die oberhalb der Scheibe 17 angeordneten Koaxial-Kabel 20 und 21 und der Verteiler 19 sind möglichst nahe an der Scheibe 17 angeordnet, um eine Beeinflussung des Strahlungsdiagramms zu verhindern.

Die Fig. 4 und 5 zeigen eine zweite Ausführungsform der Rundstrahlantenne. DieAntennenelemente 1 bis 4 und die Scheibe 17 sind, wie in Fig. 1 angeordnet, aber die Energiezuführung geschieht in diesem Falle anders. Teile, die in der Ausführungsform nach Fig. 4 die gleiche Funktion erfüllen, wie in der Ausführungsform nach den Fig. 1 und 3, haben die gleichen Bezugszeichen. In der Ausführungsform nach den Fig. 4 und 5 wird das rechtsdrehend und links· drehend zirkularpolarisierte Rundstrahldiagramm dadurch erzeugt, daß der Kreuzdipol-Antenne die Energie durch Koaxial-Kabel zugeführt wird, die innerhalb der Antennenarme 1 und 4 verlaufen und deren Innenleiter mit dem ringförmigen Teil 5 verbunden sind.

Die gleichphasige Energie wird der Antenne, die aus der Scheibe 17 und den

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Antennenelementen 1 bis 4 besteht, über ein Koaxial-Kabel 18'mit einem Wellenwiderstand von 50 Ohm, einen Verteiler 19 und Koaxial-Kabel 20' und 21' zugeführt. Die Koaxial-Kabel 20' und 21' sind die Ausgangsleitungen des Verteilers 19 und sie verlaufen an den Antennenelementen 1 und 4 vorbei. Die Außenleiter sind mit den Antennenelementen 1 und 4 verbunden, während die Innenleiter 22'und 23'mit der Scheibe 17 verbunden sind. Die letzteren Verbindungspunkte bilden die Speisepunkte für die Antenne. Die Verbindungsstücke 29 und 30 sind in einem Abstand von einer Viertel wellenlänge der Betriebsfrequenz unterhalb der Antennenelemente 1 und 3 angeordnet. Sie verbinden die äußere Mantelfläche des zylinderförmigen Teils 9 jeweils mit den Außenleitern der Koaxial-Kabel 20'und 21 'und bilden einen Teil der Viertelwellenlängen-Sperre für die Energie im zylinderförmigen Teil 9. Der andere Teil der Viertelwellenlängen-Sperre wird durch die Verbindungsstücke 31 und 32 gebildet, die zwischen den Antennenelementen 2 und 4 und den Verbindungsstücken 33 und 34 in einem Abstand von einer Wellenlänge der Betriebsfrequenz unterhalb der Antennenelemente 2 und 4 angeordnet sind, und die die Verbindungsstücke 31 und 32 mit der äußeren Mantelfläche des zylinderförmigai Teils 9 verbinden.

Im übigen entspricht die Wirkungsweise der Antenne nach den Fig. 4 und 5 der Wirkungsweise der Antenne nach den Fig. 1 bis 3. Der einzige Unterschied besteht darin, daß sich der Verteiler 19 nicht mehr oberhalb der Scheibe 17 befindet. Dadurch wird sichergestellt, daß das Strahlungsdiagramm nicht ungünstig beeinflußt wird.

i3 Patentansprüche

4 HI. Zeichnungen 209829/1010

Claims (5)

1. Patentansprüche

   f IJ Sende- und Empfangs runds tr ahlantenne, insbesondere für den Funknachrichtenverkehr und/oder die Funknavigation, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzeugung von gleichzeitig vorhandenen vertikalpolarisierten und/oder links- und rechtsdrehend zirkulär polarisierten Rundstrahldiagrammen eine Kreuzdipol-Antenne vorgesehen ist. deren vier Antennenelemente (1, 2, 3, 4) durch einen ringförmigen Teil (5) um die Antennenachse mechanisch und eleketrisch miteinander verbunden sind, daß der äußere Teil jedes Antennenelementes in einem Winkel von 90 zur Antennenachse nac h unten abgebogen ist, daß eine Scheibe (^7Vorgesehen ist, die oberhalb der Kreuzdipol-Antenne angeordnet und durch einen zylinderförmigen Teil (9) um die Antennenachse mechanisch befestigt ist, und daß die zirkularpolarisierte Energie zwei nebeneinanderliegenden Antennenelementen (1, 4) und die vertikal polarisierte zwei gegenüberliegenden Antennenelementen (1, 3) zugeführt wird.
2. 2. Rundstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zirkularpolarisierte Energie über zwei Koaxial-Kabel (6, 7) zugeführt wird, die zunächst parallel zur Antennenachse verlaufen (8) und in Höhe des ringförmigen Teils (5) nach unten abgebogen sind (10), daß die beiden Mittelleiter (11, 11') der Koaxial-Kabel mit dem ringförmigen Teil (5) und die Außenleiter mit dem zylinderförmigen Teil (9)

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   verbunden sind, und daß die Verbindung (24, 24 *) zwischen Außenleiter und zylinderförmigem Teil eine Viertelwellenlänge unterhalb des ringförmigen Teils angeordnet ist.
3. 3. Rundstrahlantenne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Zuführung der vertikal polarisierten Energie über ein in der Mastmitte verlaufendes Koaxial-Kabel (18) erfolgt, daß das Koaxial-Kabel mit einem oberhalb der Scheibe (17) angeordneten Verteiler (19) verbunden ist, und daß die Innenleiter (22, 23) der beiden Äusgangsleitungen (20, 21) des Verteilers mit den gegenüberliegenden Antennenelementen (1, 3) und die Außenleiter mit der Scheibe (17) verbunden sind.
4. 4. Rundstrahlantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zirkularpolarisierte "Energie über zwei Koaxial-Kabel zugeführt wird, die in den nebeneinanderliegenden Antennenelementen (1, 4) verlaufen, daß die Innenleiter der beiden Koaxial-Kabel mit dem ringförmigen Teil (5) verbunden sind, daß die Zuführung der vertikal

   polarisierten Energie über ein in der Mastmitte verlaufendes Koaxial-Kabel (18) erfolgt, daß das Koaxial-Kabel mit einem unterhalb der Scheibe (17) angeordneten Verteiler (19) verbunden ist, daß die Innenleiter (22 ' , 23 ') der beiden Ausgangsleitungen (20 ', 21') des Verteilers mit der Scheibe (17) und die Außenleitern mit dem zylinderförmigen Teil (9) verbunden sind und daß die Verbindung' (29, 30) zwischen den Außenleitern und dem ringförmigen Teil einer Viertelwellenlänge unterhalb des ringförmigen Teils (5) angeordnet ist.
5. 5. Rundstrahlantenne gekennzeichnet durch die Abwandlung der Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche als Empfangsantenne.

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