DE2212647B2 - Antenne fuer den frequenzbereich zwischen 2 und 30 mhz mit einer in eine metallische struktur eingeschnittenen nut - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne für den Frequenzbereich zwischen 2 und 30MHz mit einer in eine metallische Struktur mit V-förmig zueinander geneigten Seitenflächen eingeschnittenen Nut, die über ein steuerbares Impedanzanpassungsnetzwerk betrieben ist und deren Abmessungen wesentlich kleiner als die halbe mittlere Betriebswellenlänge sind.

Bei derartigen Antennen mit einer Bandbreite von ungefähr 4 Oktaven beträgt an der unteren Frequenzgrenze Λ/4 40 m, wobei Λ die Betriebswellenlänge ist. Daher kann bei Integration solcher Antennen in eine Flugkörperstruktur die geometrische Länge im allgemeinen nur einen kleinen Bruchteil der Wellenlänge betragen. Bei der oberen Grenzfrequenz von 30 MHz beträgt dagegen Λ/4 = 2,5 m. Hier kann bei Flugkörpern mit größeren Abmessungen, z. B. einem Großraumflugzeug, die Länge der Antenne durchaus in der Größenordnung von Λ/Α sein. Während also an der oberen Frequenzgrenze bei Einbau einer Antenne für den Frequenzbereich zwischen 2 und 30MHz in Flugkörper mit großen Abmessungen der Betriebszustand der Eigenresonanz der Antenne gerade noch erreicht werden kann, stellt sie für den unteren Frequenzbereich lediglich ein Kopplungsglied zwischen der Sende- bzw. Empfangseinrichtung und der Flugkörperstruktur dar, von der im unteren Frequenzbereich im wesentlichen auch die Abstrahlung der Hochfrequenzenergie erfolgt. Der Übergang der Hochfrequenzleistung von der Antenne auf die Flugkörperstruktur ist abhängig vom Verhältnis der Antennenimpedanz zur Impedanz der Flugkörperstruktur am Einspeisepunkt.

Wenn die Flugkörperstruktur am Einspeisepunkt eine niedrige Impedanz im Vergleich zur Antenne aufweist, ist der Wirkungsgrad der Ankopplung am größten.

Da Antennen für den Frequenzbereich zwischen 2 und 30 MHz nicht im Bereich ihrer Eigenresonanz betrieben werden können, weisen sie im gesamten Frequenzbereich einen vom Ausgangswiderstand der Sende- und Empfangseinrichtung abweichenden, komplexen Antenneneingangswiderstand auf. Es ist daher erforderlich, durch Hinzuschaltung von konzentrierten Blindelementen die Antenne abzustimmen und mit Hilfe einer Anpassungsschaltung den Eingangswiderstand der Antenne im gesamten Frequenzbereich in den Ausgangswiderstand der Sende- und Empfangseinrichtung zu transformieren.

Aus »Aircraft Aerial Design and Situng« von R. A. Burberry and C. G. FitzPatrick, Druckschrift der Standard Telephones and Cables Ltd., London, 1969, Seiten 2, 3 und 12 bis 17, insbesondere Fig. 15, ist es bekannt, zur Erfüllung dieser Erfordernisse in einer metallischen Struktur, deren Seitenwände zum oberen Strukturrand hin ungefähr V-förmig zusammenlaufen, eine Nut auszusparen. Während die Bodenfläche und die beiden Stirnseiten der Nut von einer Metallwand gebildet werden, bestehen die beiden Seitenwände aus einer V-förmigen, an die metallische Struktur angepaßten Kunststoffabdeckung. Der auf diese Weise entstandene Hohlraum bildet die Antenne. Die Speisung der Antenne erfolgt über einen an einer Stirnseite der Nut

endenden Speiseleiter, der mit einem in der Nut befindlichen, steuerbaren Impedanzanpassungsnetzwerk verbunden ist. Beim Wechsel der Frequenz in der dem Impedanzanpassungsnetzwerk nachgeschalteten Sende- und Empfangseinrichtung werden die Blindeelemente im Impedanzanpassungsnetzwerk entsprechend nachgesteuert, so daß für die jeweils eingestellte Frequenz der Eingangswiderstand der Antenne in den Ausgangswiderstand des Senders bzw. Empfängers transformiert wird.

Nutantennen, die über ein steuerbares Impedanzanpassungsnetzwerk betrieben werden, sind auch aus »H.F. Suppressed Aerials for Aircraft« von C. N e w and T. W. Sharpe in 12th Symposium of the A.G.A.R.D. Avionics Panel on »Radio Antennas for Aircraft and Aerospace Vehicles«, July 1966, Weybridge, bekannt. In Fig. 1 dieser Druckschrift ist unter Verwendung eines Serienersatzschaltbildes, bestehend aus einer Induktivität und einem Ohmschen Widerstand, der Verlauf des Ohmschen Widerstandes über den Frequenzbereich von 2 MHz - 30 MHz dargestellt. Er beträgt ungefähr 0,05 Ω bei 2 MHz und 10 Ω bei 30 MHz. Fig. 4 zeigt geeignete Stellen für die Anbringung von Nutantennen im Seitenleitwerk eines Flugzeuges.

Die Anpassung derartiger Nutantennen über Steuerbare Impedanzanpassungsnetzwerke an Sende- und Empfangseinrichtungen bereitet jedoch Schwierigkeiten. Da im allgemeinen zum Einbau der Nutantennen nur wenig Platz zur Verfügung steht, ergibt sich bei der niedrigsten Betriebfrequenz ein Verhältnis von Nutlänge L zur Betriebswellenlänge A, das wesentlich kleiner als 0,5 ist. Bei der höchsten Betriebsfrequenz kann dagegen eine Annäherung an die Λ/4-Resonanz erfolgen. Ferner überlagern sich bei optimaler Ankopplung der Nutantenne an die Flugkörperstruktur Resonanzeffekte der Flugkörperstruktur. An ihrer unteren Bandbreitengrenze weist eine solche Nutantenne somit nur einen sehr geringen Strahlungswiderstand auf. Werden dann noch lange Transformationswege zur Anpassung an die Sende- und Empfangsanlage benötigt, so ergibt sich für das Gesamtsystem, bestehend aus Nutantenne und steuerbarem Impedanzanpassungsnetzwerk, ein sehr schlechter Wirkungsgrad. Im Bereich der von der Flugkörperstruktur hervorgerufenen Resonanzeffekte ergeben sich häufig Impedanzwerte, die von steuerbaren Impedanzanpassungsnetzwerken nicht mehr an die Sende- und Empfangsanlage angepaßt werden können. Eine Sende- und Empfangsverbindung mit Hilfe der Antenne ist in diesem Fall nicht möglich. Die Funktionsfähigkeit von Antenne und Impedanzenpassungsnetzwerk muß jedoch im gesamten Betriebsfrequenzbereich sichergestellt sein, insbesondere dann, wenn die Antenne als Sprechfunkantenne in der zivilen Luftfahrt eingesetzt wird, da im Bereich zwischen 2 und 30 MHz verschiedene Notruffrequenzen enthalten sind.

Bei Darstellung der Impedanzwerte von Antennen der eingangs genannten Art durch ein Parallelersatzschaltbild ergeben sich an den Bandbreitengrenzen niedrige Werte für den reelen Antennenparallelwiderstand. Die Grenzwertkurven für den Anpassungsbereich von Impedanzanpassungsnetzwerken mit günstigem Wirkungsgrad und geringem technischen Aufwand lassen nur einen schmalen Impedanzbereich in der Umgebung zu beiden Seiten der Parallelresonanz des Impedanzanpassungsnetzwerkes zu. Solche Impedanzanpassungsnetzwerke erfordern jedoch an den Band breitengrenzen einen Antennenparallelwiderstand über 300 Ω. Ebenso muß die Antennenparallelreaktanz an der unteren Frequenzgrenze über j20 Ω liegen und muß gleichzeitig an der oberen Bandbreitengrenze größer als -jlOOQsein.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die auch bei kleinen Abmessungen im Frequenzbereich von 2 bis 30 MHz von einem handelsüblichen, steuerbaren Impedanzanpassungsnetzwerk mit hohem Wirkungsgrad angepaßt werden kann und insbesondere an den Bandbreitengrenzen einem vom Impedanzanpassungsnetzwerk vorgegebenen, reellen Parallelwiderstand und einen von diesem vorgegebenen Parallelreaktanzwert nicht unterschreitet.

Diese Aufgabe ist erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die V-förmig zueinander geneigten Seitenflächen der metallischen Struktur sich über die beiden Seiten der Nut hin als gefaltetes Blech fortsetzen, in das auf der einen Seite der Faltlinie zwei L-förmige Schlitze geschnitten sind, deren einer Schenkel jeweils an der Faltlinie beginnt und senkrecht auf der Faltlinie steht, und deren andere Schenkel sich im wesentlichen parallel zur Faltlinie aufeinander zu erstrecken und zwischen sich einen leitenden Kopplungssteg belassen, wobei einer der L-förmigen Schlitze nahe der Faltlinie an seiner dem anderen L-förmigen Schlitz zugewendeten Kante einen Einspeisepunkt aufweist, daß auf der anderen Seite der Faltlinie in das gefaltete Blech in Fortsetzung des dem Einspeisepunkt fernen L-förmigen Schlitzes ein spitz zulaufender Schlitz eingeschnitten ist, und daß ferner auf dieser anderen Seite der Faltlinie ein Schlitz in Form eines zur Faltlinie hin offenen U mit einem schmalen und einem breiten Schenkel eingeschnitten ist, dessen schmaler Schenkel den mit dem Einspeisepunkt versehenen L-förmigen Schlitz fortsetzt.

Die weitere vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne ist aus den Unteransprüchen ersichtlich.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen darin, daß der Impedanzverlauf der Antenne im gesamten Frequenzbereich von 2 bis 30 MHz innerhalb der von einem steuerbaren Impedanzanpassungsnetzwerk mit hohem Wirkungsgrad geforderten Grenzwertkurven liegt. Ferner kann der Impedanzverlauf der Antenne durch Variation des Einspeisepunktes, des Steges sowie des Vorsprungs im schmalen Schenkel des U-förmigen Schlitzes verändert und den unterschiedlichen Anforderungen von Impedanzanpassungsnetzwerken der verschiedenen Fabrikate unter gleichzeitiger maximaler Ankopplung an die Flugkörperstruktur optimal angepaßt werden. Außerdem liegen sämtliche metallischen Teile der erfindungsgemäßen Antenne auf Masse.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigt

Fig. 1 die Abwicklung einer Antenne gemäß der Erfindung und

F i g. 2 den Einbau der Antenne nach F i g. 1 in ein Seitenleitwerk eines Flugzeugs.

Eine Nutantenne 3 besteht, wie F i g. 1 zeigt, aus zwei V-förmig zueinander geneigten Seitenflächen aus längs einer Faltlinie L-L gefaltetem Blech 6. Auf der einen Seite der Faltlinie L-L sind zwei L-förmige Schlitze 4, 4a, Ab und 8a, Sb in das Blech 6 geschnitten, deren einer Schenkel 4b bzw. Sb jeweils an der Faltlinie beginnt und senkrecht auf dieser steht, während die anderen Schenkel 4a und Sa sich im wesentlichen parallel zur Faltlinie L-L aufeinanderzu erstrecken und zwischen

sich einen leitenden Kopplungssteg 12 belassen. Einer der L-förmigen Schlitze 4 mit den Schenkeln 4a und 4b enthält nahe der Faltlinie L-L an seiner dem anderen L-förmigen Schlitz mit den Schenkeln 8a und 86 zugewendeten Kante einen Einspeisepunkt 14, der mit dem Eingang eines Impedanzanpassungsnetzwerkes verbunden ist. Die der Faltlinie L-L fernen Kanten 17 und 18 der beiden L-förmigen Schlitze 4, 4a, 4b und 8a, Sb fluchten miteinander, während die der Faltlinie L-L nahe Kante 19 des den Speisepunkt 14 nicht enthaltenden L-förmigen Schlitzes 8a, Sb von der Faltlinie L-L einen größeren Abstand aufweist als die entsprechende Kante 20 des anderen L-förmigen Schlitzes 4a, Ab.

Auf der anderen Seite der Faltlinie L-L ist in das gefaltete Blech 6 in Fortsetzung des dem Einspeisepunkt 14 fernen L-förmigen Schlitzes mit den Schenkeln 8a und Sb als Verlängerung des Schenkels Sb ein spitz zulaufender Schlitz 8c eingeschnitten. Ebenfalls auf dieser Seite der Faltlinie L-L befindet sich ein weiterer Schlitz 7, 10, 11 in Form eines zur Faltlinie L-L hin offenen U. Der eine Schenkel 7 des U-förmigen Schlitzes 7, 10, 11 ist schmaler als der andere Schenkel 11 und setzt den mit dem Einspeisepunkt 14 versehenen L-förmigen Schlitz 4,4a, 46 fort. Der schmale Schenkel 7 des U-förmigen Schlitzes 7, 10, 11 ist zum Zwecke der Beeinflussung des Impedanzverlaufs der Antenne als Leitung mit sich änderndem Wellenwiderstand ausgebildet. Der breite Schenkel 11 dieses Schlitzes hat die Form eines Parallelogramms, dessen eines Parallelen-Paar mit der Faltlinie L-L parallel ist, während das andere Parallelen-Paar parallel zur Innenkante des schmalen Schenkels 7 ist. Die Innenkante des schmalen Schenkels 7 des U-förmigen Schlitzes 7, 10, 11 weist zusätzlich einen sich parallel zur Faltlinie L-L erstreckenden Vorsprung 9 auf.

F i g. 2 zeigt den Einbau einer Antenne 3 nach F i g. 1 in ein metallisches Seitenleitwerk 16 eines Flugzeugs. Am unteren Ende des Seitenleitwerks 16 ist in seine Nasenkante eine Nut 15 eingeschnitten, deren Boden- und Stirnflächen ebenfalls aus Metall sind. Das V-förmig gefaltete Blech 6, das die L- und U-förmigen Nuten enthält, überdeckt die Nut 15 in der Weise, daß die Faltünie L-L die Fortsetzung der Nasenkante des Seitenleitwerkes 16 bildet. Die Seitenansicht der Antenne 3 zeigt die beiden L-förmigen Schlitze 4,4a, 4b; Sa, Sb, den Kopplungssteg 12 und den Einspeisepunkt 14. Die gesamte Antenne 3 ist entlang der Außenkanten des Bleches 16 leitend mit der Nut 15 und somit auch leitend mit der metallischen Struktur des Flugzeuges verbunden. Die Wirkungsweise der beschriebenen Antenne ist folgende:

Im unteren Betriebsfrequenzbereich wird der den Einspeisepunkt 14 nicht enthaltende Schlitz 8, bestehend aus dem L-förmigen Schlitz 8a, Sb und dem spitz zulaufenden Schlitz 8c über den Kopplungssteg 12 und die Ströme an den Kanten des Schlitzes 8 angeregt und beeinflußt den Impedanzverlauf in diesem Bereich.

Der Impedanzverlauf im oberen Betriebsfrequenzbereich wird hauptsächlich durch den den Einspeisepunkt 14 enthaltenden Schlitz 4, 4a, 4b und durch den U-förmigen Schlitz 7, 10, 11 sowie den Vorsprung 9 bestimmt. Der Steg 12 wirkt praktisch als Kurzschluß. Seine Lage beeinflußt den Impedanzverlauf an der oberen Bandbreitengrenze erheblich.

Durch Verlagerung des Einspeisepunktes 14 wird der gesamte Impedanzverlauf verändert.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (5)

Patentansprüche:

1. Antenne für den Frequenzbereich zwischen 2 und 30 MHz mit einer in eine metallische Struktur mit V-förmig zueinander geneigten Seitenflächen eingeschnittenen Nut, die über ein steuerbares Impedanzanpassungsnetzwerk betrieben ist, und deren Abmessungen wesentlich kleiner als die halbe mittlere Betriebswellenlänge sind, dadurch gekennzeichnet, daß die V-förmig zueinander geneigten Seitenflächen der metallischen Struktur (5) sich über die beiden Seiten der Nut (15) hin als gefaltetes Blech (6) fortsetzen, in das auf der einen Seite der Faltlinie (L-L) zwei L-förmige Schlitze (4, 4a, Ab, Sa, eingeschnitten sind, deren einer Schenkel (46, Sb) jeweils an der Faltlinie (L-L) beginnt und senkrecht auf der Faltlinie (L-L) steht, und deren andere Schenkel (Aa, Sa) sich im wesentlichen parallel zur Faltlinie (L-L) aufeinanderzu erstrecken und zwischen sich einen leitenden Kopplungssteg (12) belassen, wobei einer der L-förmigen Schlitze (4, Aa, Ab) nahe der Faltlinie (L-L) an seiner dem anderen L-förmigen Schlitz (8a, Sb) zugewendeten Kante einen Einspeisepunkt (14) aufweist, daß auf der anderen Seite der Faltlinie (L-L) in das gefaltete Blech (6) in Fortsetzung des dem Einspeisepunkt (14) fernen L-förmigen Schlitzes (8a, Sb) ein spitz zulaufender Schlitz (Sc) eingeschitten ist, und daß ferner auf dieser anderen Seite der Faltlinie (L-L)ein Schlitz (7,10,11) in Form eines zur Faltlinie (L-L) hin offenen U mit einem schmalen (7) und einem breiten Schenkel (11) eingeschnitten ist, dessen schmaler Schenkel (7) den mit dem Einspeisepunkt (14) versehenen L-förmigen Schlitz (4,4a, 46,) fortsetzt.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der schmale Schenkel (7) des U-förmigen Schlitzes (7, 10, 11) zum Zwecke der Beeinflussung des Impedanzverlaufs der Antenne als Leitung mit sich änderndem Wellenwiderstand ausgebildet ist, während der breite Schenkel (11) dieses Schlitzes die Form eines Parallelogramms hat, dessen eines Parallelen-Paar mit der Faltlinie (L-L) parallel ist, während das andere Parallelen-Paar parallel zur Innenkante des schmalen Schenkels (7) des U-förmigen Schlitzes (7, 10, 11) ist, an die ein Vorsprung (9) angesetzt ist, daß die sich im wesentlichen parallel zur Faltlinie erstreckenden Schenkel (4a, 8a,) der L-förmigen Schlitze (4, 4a, Ab; Sa, Sb) sich derart erweitern, daß ihre der Faltlinie (L-L) fernen Kanten (17, 18) miteinander fluchten, während die der Faltlinie (L-L) nahe Kante (19) des speisepunktfernen L-fömigen Schlitzes (8a, Sb) von der Faltlinie (L-L) einen größeren Abstand besitzt als die entsprechende Kante (20) des anderen L-förmigen Schlitzes (4a, Ab).

3. Antenne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Speisepunktes (14) entlang der Kante des einen L-förmigen Schlitzes (4a, Ab) so gewählt ist, daß der gewünschte Impedanzverlauf der Antenne erzielt ist.

4. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage des Kopplungssteges (12) so gewählt ist, daß der gewünschte Impedanzverlauf an der oberen Frequenzgrenze ohne wesentliche Beeinflussung des !mpedanzverlaufs an der unteren Frequenzgrenze erzielt ist.

5. Antenne nach den Ansprüchen 2 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Lage und die Länge des Vorsprungs (9) so gewählt sind, daß der gewünschte Impedanzverlauf an der unteren Frequenzgrenze ohne wesentliche Beeinflussung des übrigen Impedanzverlaufs erzielt ist.