DE2300526A1

DE2300526A1 - Antenne

Info

Publication number: DE2300526A1
Application number: DE2300526A
Authority: DE
Inventors: Micheal John Sidford
Original assignee: UK Secretary of State for Defence
Current assignee: UK Secretary of State for Defence
Priority date: 1972-01-05
Filing date: 1973-01-05
Publication date: 1973-07-12
Also published as: GB1364941A; US3813674A; DE2300526C2

Description

293-20.O12PC2O.O13H) 5· 1. 1973

The Secretary of" State for Defence in Her Britannic Majesty's Government of the United Kingdom of Great Britain and Northern Ireland, Whitehall, London SW 1 (Großbrit.)

Antenne

Die Erfindung betrifft eine Antenne, insbesondere zum Senden und Empfangen zirkularpolarisierter elektromagnetischer Strahlung.

Bekannte Satelliten-Fernmelde- oder Nachrichtensysteme haben leistungsschwache Sender in einem Satelliten, die mit großen, mechanisch ausrichtbaren Antennen großer Richtwirkung in einer Erdfunkstelle zusammenarbeiten. Jüngste Entwicklungen von leistungsstärkeren Sendern ftir Satelliten ermöglichen, kleinere Antennen oder Antennenanordnungen am , Empfänger zu verwenden. Ein wünschenswertes Satelliten-Fernmelde sy st em verwendet einen Sender/Empfänger in einem Flug-

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zeug und eine an diesem montierte geeignete Antenne. Es ist bereits in Erwägung gezogen worden, daß die Verwendung von zirkular polarisierter elektromagnetischer Strahlung zur Übertragung der Information in derartigen Fernmelde- oder Nachrichtensystemen vorteilhaft sein könnte, da die Faraday-Drehung dieser Strahlung bei ihrer Ausbreitung zwischen Sender und Empfänger nicht das Ansprechen einer geeigneten Empfangsantenne beeinträchtigt. Ferner könnte eine derartige Empfangsantenne, die nur auf einen speziellen Drehsinn von zirkular polarisierter Strahlung anspricht, automatisch zwischen der Strahlung direkt von einem Sender und derselben Strahlung, empfangen nach Reflexion von der Meeresoberfläche, unterscheiden, da in letzterem Fall der Drehsinn der Polarisation umgekehrt wäre.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antenne zu schaffen, die in einem Flugzeug, insbesondere fluchtgerecht, montiert werden kann, die zirkular polarisierte Signale in Verbindung mit geeigneten Sendern oder Empfängern ausstrahlt oder empfängt, die über einen möglichst großen Richtungsbereich arbeitet und die zweckmäßig und verhältnismäßig einfach für eine Verwendung in Antennenanordnungen ist.

Die erfindungsgemäße Antenne zum Empfangen oder Senden von zirkular polarisierter elektromagnetischer Strahlung hat einen Dipol, der im wesentlichen in der Öffnung eines Schlitzes montiert ist, und eine Einrichtung zum asymmetrischen Koppeln des Schlitzes mit dem Dipol. Die Antenne kann auch einen elektromagnetischen Hohlraum in der Nähe der Kopplungsanordnung von Dipol und Schlitz haben. Der Dipol kann gefaltet sein, weshalb ein verhältnismäßig flacher elektromagnetischer Hohlraum verwendet werden kann. Der Dipol kann auf ei-

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ner Seite einer isolierenden Unterlage oder Grundplatte ausgebildet sein, während auf der anderen Seite im wesentlichen gegenüber dem Dipol ein schmaler Leiter vorgesehen ist, wobei ein Teil des Dipols, der Unterlage und des Leiters zusammen, eine Band- oder Streifenleitungseinspeisung bilden, die ein Anpassungsnetzwerk haben kann, das durch einen weiteren Teil des Dipols, der Unterlage und des Leiters gebildet wird. Diejenigen Teile des Dipols, die auch einen Teil
der Streifenleitungseinspeisung und des Anpassungsnetzwerks bilden können, können breiter als der übrige Dipol sein.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne dargestellt sind. Bs zeigen:

Fig. 1 eine Draufsicht einer L-Band- oder UHF-Antenne;

Fig. 2 ein Schnitt durch die Antenne von Fig. 1 entlang der Linie H-IX in Pfeilrichtung;

Fig. 3 eine Aneicht von unten eines Teils der Antenne
von Fig. 1; und

Fig. k eine Abwandlung der Antenne nach den Fig. 1-3 mit eines angeschlossenen Schaltkreis.

Es versteht sich, daß identische Bauelemente dieselben Bezugszeichen haben.

Fig. 1-3 sind maßstabsgerechte Figuren mit demselben Maßstab. Die Maßstabsskala unterhalb Fig. 1 und 2, die gleich X /2 ist, wobei Λ die Wellenlänge des zu sendenden oder zu

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empfangenden Signals ist, deutet die relative Größe der Antenne an. Bei geeigneter Dimensionierung kann die Antenne im L-Band (in der Größenordnung von 16OO MHz) oder bei Ultrahochfrequenzen (UHF) arbeiten.

In der Zeichnung sind zu sehen eine rechteckige isolierende, verlustarme Unterlage oder Grundplatte 1, z. B. aus Glasfasern, mit einem Leiter 2, der einen rechteckigen Schlitz aufweist, der durch einen mittig eingeschnittenen Rand 3 des Leiters 2 begrenzt wird, und auf einer Seite der Unterlage 1 aufgedruckt ist. Auf derselben Seite der Unterlage 1, mittig innerhalb des Leiters 2 und davon isoliert befindet sich ein Faltdipol, gebildet durch einen Leiter 4, der durch einen Rand 5 des Leiters h begrenzt wird. Ein kleiner Spalt 6 befindet sich in der Mitte des Dipols. Der Dipol nimmt einen rechteckigen Bereich ein, dessen Breit- und Schmalseiten parallel zu den Breit- und Schmalseiten des Schlitzes liegen. Die Schmalseiten des Dipols sollen im folgenden die Enden 21 des Dipols genannt werden. Der Leiter h ist symmetrisch um eine Symmetrielinie 7 parallel zu den Enden 21 des Dipols und davon äquidistant angeordnet. Die Teile des Dipols auf beiden Seiten des Spaltes 6 sind schmaler als der übrige Dipol. Auf der entgegengesetzten Seite der Unterlage 1 sind ein rechteckiger Leiter 8 und ein schmaler Streifen bzw. ein schmales Band eines Leiters 9 aufgedruckt. Das eine Ende des schmalen Streifens 9 liegt ober dem Spalt 6 des Dipols und ist elektrisch mit dem Dipol in der Nähe des Spaltes 6 verbunden, und zwar durch eine Zuleitung 10, die durch die Unterlage 1 sich erstreckt. Der übrige Streifen 9 liegt über dem vollständigen Leiter h_t der den Dipol bildet, und folgt der Form etwas mehr als die Hälfte des vollständigen Leiters k. Der Streifen 9, die Unterlage 1

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und der Leiter h bilden eine Streifenleitungseinspeisung, deren zum Spalt 6 des Dipols entgegengesetztes Ende in einem Anpassungsnetzwerk endet. Das Anpassungsnetzwerk hat einen Serienzweig 11 und einen Parallelzweig 12. Der Serienoder Reihenzweig 11 besteht aus einem Teil des Leiters 9» von dem ein Teil parallel zum Leiter 9 verläuft und über die Symmetrielinie 7 hinaus vorspringt. Der parallele Zweig 12 besteht aus einer kollinearen Verlängerung des Leiters 9· Der Leiter 9 ist ein kapazitiver Kopplungsstreifen zum Koppeln des Schlitzes und des Dipols. Er befindet sich mit seiner Schmalseite parallel zum Leiter 9 in der Nähe des Anpassungsnetzwerks und ist dem Rand 3 überlagert. Seine Mitte ist bei A etwas mehr als die halbe Länge seiner Schmalseite von der Symmetrielinie 7 entfernt.

Ein Leiter 13 von der Art eines oben offenen Kastens mit lichten Maßen im wesentlichen entsprechend denen der Unterlage 1 und einer Tiefe von 0,08 λ , wobei X die Wellenlänge der zu sendenden oder zu empfangenden Strahlung ist, ist elektrisch und mechanisch mit dein Leiter 2 an den Kanten seines offenen Endes wie bei 14 verbunden und bildet einen Hohlraum. Ein Koaxialsignalkabel von einem Sender und/ oder Empfänger (nicht gezeigt) mit einem Außenleiter 15 und einem Innenleiter 16, die voneinander isoliert sind, durchsetzt ein Loch im geschlossenen Ende des Leiters 13 zu einer Stelle in der Nähe des Serienzweiges 11 des Anpassungsnetzwerks. Der Außenleiter 15 ist elektrisch mit dem Leiter 13 und der Mitte des breiteren Arms des Dipole wie bei 17 angedeutet verbunden. Der Innenieiter i6 ist isoliert geführt durch den FaItarm des Dipols und die Unterlage 1 und elektrisch mit dem Ende des Serienzweigs 11 des Anpassungsnetzwerks verbunden.

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Die Antenne von Fig. 1 - 3 ist für die Montage in einem Flugzeug (nicht gezeigt) vorgesehen, wobei die Fläche der Unterlage 1, die die Leiter 8 und 9 aufgedruckt aufweist, mit einer Außenfläche des Flugzeugs an einer geeigneten Stelle, z. B. am hinteren Rumpf, fluchtet und davon isoliert ist. Die Antenne ist so ausgerichtet, daß der Dipol sich in der vertikalen Ebene befindet, wenn das Flugzeug normal fliegt. Der Leiter 2 und der Hohlraumkasten sind elektrisch mit der Flugzeugaußenschale anhaftend verbunden. Im Sendebetrieb wird ein L-Band- oder UHF-Signal über das Koaxialsignalkabel, der Streifenleitungseinspeisung zugeführt, die die Signalquelle an den Dipol anpaßt. Der Dipol wird erregt und sendet linear polarisierte Strahlung. Der Dipol ist auch kapazitiv gekoppelt über den Leiter 8 mit dem Schlitz, der ebenfalls linear polarisierte Strahlung sendet. Die Abmessungen des Dipols und des Schlitzes sowie des Leiters 8 und ihrer Lage zueinander sind so bemessen, daß die Strahlungen vom Schlitz und Dipol in orthogonalen Ebenen und um 90 phasenverschoben polarisiert sind. Die resultierende Strahlung ist theoretisch zirkulär polarisiert mit einem gegebenen Drehsinn und breitet sich mit einem annehmbaren Elliptizitäts-Verhältnis und annehmbarer Strahlungsleistungsverteilung über einen großen Winkelbereich aus. Der tatsächliche Winkelbereich hängt von dem Montageort der Antenne ab.

Zirkular polarisierte Strahlung im L-Band oder im UHF-Frequenzbereich, die auf die Oberfläche der Antenne einfällt, kann als Kombination von zwei gegeneinander um 90 oder %/2 phasenverschobene Wellen betrachtet werden, die in zwei orthogonalen Ebenen linear polarisiert sind. Im Empfangsbetrieb spricht der Schlitz auf eine dieser Wellen und der Dipol auf die andere Welle an; wenn der Koppelstreifen 8 geeignet be-

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messen und angeordnet ist, geben diese beiden Antworten zusammen ein resultierendes Signal im Kabel 15 «it verhältnismäßig hoher Empfindlichkeit gegenüber zirkulär polarisierten Wellen, die einen gegebenen Drehsinn der Zirkularpolarisation haben, und zwar über einen weiten Winkelbereich, außerhalb dessen immer noch eine verhältnismäßig gute Empfindlichkeit gegenüber zirkulär polarisierter einfallender Strahlung besteht.

Wenn der Dipol nicht mit dem Schlitz durch den Koppelstreifen 8 gekoppelt wäre, würde ein am Dipol angelegtes Signal dazu tendieren, gleichgroße, phasengleiche Ströme parallel zu den Breitseiten der Schlitze zu induzieren. Derartige symmetrische Ströme würden keinen auswertbaren resultierenden Effekt bringen. Der Leiter 8 befindet sich daher an einer Seite der Symmetrielinie 7· um eine kleine Kapazität zwischen die eine Seite des Schlitzes und den einen Arm des Dipols einzuführen. Dies bewirkt, daß die Ströme parallel zu den Breitseiten des Schlitzes im Leiter 2 unsymmetrisch induziert werden. Phasengleiche Ströme fließen daher um die beiden Enden des Schlitzes, so daß dieser auestrahlt oder anspricht auf Strahlung mit einer Polarisation in einer Ebene orthogonal zu und im gezeigten Fall um 90 phasenverschoben zu der des Dipols.

Der Schlitz ist am empfindlichsten gegenüber Strahlung, die in einer Ebene parallel zu den Schmalseiten des Schlitzes polarisiert ist, im folgenden horizontal polarisierte Strahlung genannt, während der Dipol am empfindlichsten gegenüber Strahlung ist, die in einer Ebene parallel zu den Breitseiten des Schlitzes polarisiert ist, im folgenden vertikal polarisierte Strahlung genannt. Wenn der Leiter 8 sich

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mit seiner Mitte in den Funkten C oder D von Fig. 1 befindet, d. h. nahe den Enden 21 des Dipols, sind Ausstrahlung oder Empfangen des Dipols dominierend, und die Antenne sendet oder empfängt am besten horizontal polarisierte Strahlung. Wenn die Kopplung geeignet verringert ist durch Verringerung der Abmessungen des Leiters 8 im Punkt C oder D, ist der Empfang des Schlitzes 8 verschlechtert, und schließlich sendet oder empfängt die Antenne gleich gut horizontal polarisierte Strahlung und vertikal polarisierte Strahlung. Dann ist jedoch die Phasenverschiebung zwischen der horizontal polarisierten Strahlung und der vertikal polarisierten Strahlung entweder 0° oder 180 , und die resultierende Strahlung, die am besten gesendet oder empfangen wird von der Antenne, ist linear polarisiert in einer Ebene senkrecht zur Fläche bzw. Oberfläche der Ant
Breitseiten des Schlitzes geneigt.

zur Fläche bzw. Oberfläche der Antenne und um 45 gegen die

Keine brauchbaren Ergebnisse werden erhalten, wenn die Mitte des Koppelleiters 8 sich auf der Symmetrielinie 7 befindet, jedoch wenn der Koppelleiter 8 sich mit seiner Mitte im Punkt B auf der anderen Seite der Symmetrielinie 7 zum Punkt A und davon äquidistant entfernt befindet, ist der Betrieb der Antenne ähnlich dem, wenn der Leiter 8 sich im Punkt- A befindet, bis auf den Unterschied, daß die zirkulär polarisierte Strahlung, die abgestrahlt oder empfangen wird, den entgegengesetzten Drehsinn aufweist. Das letztere Merkmal kann in einer Antenne ausgenutzt werden, mit der z. B. rechts-zirkular polarisierte Strahlung gesendet oder empfangen werden soll, während in einem anderen Zustand linkszirkular polarisierte Strahlung gesendet oder empfangen werden soll. Diese Technik kann angewendet werden, um mit einer einzigen Antenne Verbindung mit Satelliten aufzunehmen,

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die mit Antennen für beide Drehsinne versehen sind. Ein derartiges Ausführungsbeispiel der Antenne ist schematisch in Fig. k gezeigt. Die Abmessungen und der Zusammenbau der verschiedenen Bauteile der Antenne sind identisch mit denen der Antenne von Fig. 1-3 bis auf die Ausnahme, daß zwei Koppelleiter 8 und 8· auf der Unterlage 1 aufgedruckt sind. Der Leiter 8 befindet sich mit seiner Mitte im Punkt A (vgl. Fig. 1) und der Leiter 8' mit seiner Mitte im Punkt B (vgl. Fig. 1). Die beiden Leiter 8 und 8· haben dieselben Gesamtabmessungen wie der Leiter 8 von Fig. 1, sind jedoch beide in zwei voneinander isolierte leitende Bereiche aufgeteilt. Die beiden Teile oder Bereiche jedes Leiters 8 und 8» sind durch HF-Schaltdioden 18 bzw. 18» überbrückt. Ein zweipoliger Umschalter 19 ist mit einer Gleichspannungsquelle 20 und mit den Dioden 18 und 18' so verbunden, daß er in einer Stellung die Diode 18 in Sperrichtung und die Diode 18· in Leitungsrichtung vorspannt, während er in der anderen Stellung die Diode 18 in Leitungsrichtung und die Diode 18' in Sperrichtung vorspannt.

Venn die Diode, die an den beiden Teilen eines der beiden Leiter 8 und 8· angeschlossen ist, in Leitungsrichtung vorgespannt ist, sind die beiden Teile elektrisch miteinander verbunden, und der Dipol und der Schlitz sind durch diesen Leiter kapazitiv gekuppelt. Venn die Diode, die an den beiden Teilen eines der beiden Leiter 8 und 8* angeschlossen ist, in Sperrichtung vorgespannt ist, so sind die beiden Teile elektrisch voneinander isoliert, und die kapazitive Kopplung zwischen dem Dipol und dem Schlitz, die durch diesen Leiter hervorgerufen wird, 1st vernachlässigbar klein. .

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Es ist gezeigt worden, daß die zirkulär polarisierte Strahlung die durch die Antenne empfangen oder gesendet wird, wenn der Leiter 8 sich im Punkt A befindet, nur im Drehsinn von der Strahlung abweicht, wenn der Leiter 8 sich im Punkt B befindet. Die Betätigung des Schalters 19 verursacht also, daß zirkulär polarisierte Strahlung mit beiden Drehsinnen von der Antenne gesendet oder empfangen wird, wenn diese geeignet mit einem Sender oder Empfänger (nicht gezeigt) verbunden ist.

Trotz der kleinen Abmessungen der hier beschriebenen Antennen ist der Empfangsgewinn größenordnungsmäßig + 5 dB gegenüber dem Gewinn bzw. der Verstärkung eines theoretischen Detektors, der eine isotrope Charakteristik gegenüber zirkulär polarisierter Strahlung aufweist. Die Antennen können in Anordnungen oder Systemen montiert werden, die zwei oder mehr derartige Antennen in an sich bekannter Weise haben, um den Antennengewinn zu erhöhen. Die Antennen in einer derartigen Anordnung können auch, phasenmäßig variabel zueinander liegen, damit sie - wiederum in an sich bekannter Weise - elektrisch ausgerichtet werden können.

Es versteht sich, daß verschiedenste Abweichungen der hier gezeigten Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne möglich sind. Die Antennen brauchen nicht fluchtgerecht auf dem Rumpf des Flugzeuges montiert zu sein, sondern können auch außerhalb angebracht sein, wobei die Rückseite des Hohlraums elektrisch und Mechanisch am Rumpf gesichert ist. Es ist dann nur ein kleines Loch im Rumpf erforderlich, um das Koaxialsignalkabel mit der Antenne zu verbinden. Das niedrige Profil der Antenne dürfte keine aerodynamischen Probleme bewirken, obwohl eine Antennenkuppel wünschenswert sein kann, um die Leiter der Antenne vor den Wettereinflüssen zu schützen.

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Claims

Patentansprüche

Antenne zum Empfangen öder Senden zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlung, gekennzeichnet durch einen Dipol (h)_t der im wesentlichen innerhalb der Öffnung eines Schlitzes (2) Montiert ist, und durch einen Koppelkreis (8) zu« asymmetrischen Koppeln des Schlitzes (2) mit dem Dipol (k).
2. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen elektromagnetischen Hohlraum (i3) in der Hähe der Koppelanordnung -von Dipol (4) und Schlitz (2).
3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Dipol (4) auf einer Seite einer isolierenden Unterlage (i) und ein schmaler Leiter (9) *uf der anderen Seite im wesentlichen gegenüber dem Dipol (4) vorgesehen ist, wobei ein Teil des Dipols (Ί), der Unterlage (i) und des Leiters (9) zusammen eine Streifenleitungseinspelsung mit einem Anpassungsnetzwerk (ii, 12) bilden, das durch einen weiteren Teil des Dipole (4), der Unterlage (i) und des Leiters (9) dargestellt wird.

k. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Koppelkreis (8) ein rechteckiger Leiter (8) auf derselben Seite der Unterlage (i) wie der Leiter (9) sowie asymmetrisch zu einer Symmetrielinie (7) des Dipols (4) and des Schlitzes (2) angeordnet ist, um diese kapazitiv zu koppeln.

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