DE2300526C2

DE2300526C2 - Antenne, bestehend aus einem Schlitzstrahler und einem Dipol

Info

Publication number: DE2300526C2
Application number: DE2300526A
Authority: DE
Inventors: Michael John Heckfield Hampshire 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: 1982-09-30
Also published as: DE2300526A1; GB1364941A; US3813674A

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbegriff des Patentanspruches Ί.

Übliche Satelliten-Fernmeidf- oder Nachrichtensysteme haben leistungsschwache Lender in einem Satelliten, die mit großen, mechanisch ausrichtbaren Antennen großer Richtwirkung in einer Erdfunkstelle zusammenarbeiten. Jüngste Entwicklungen von leistungsstärkeren Sendern für Satelliten ermöglichen es, kleinere Antennen am Empfänger zu verwenden. Ein wünschenswertes Satelliien-Fernmeldesystem verwendet einen Sender/Empfänger in einem Flugzeug und eine an diesem montierte geeignete Antenne. Es ist nun bereits in Erwägung gezogen worden, daß die Verwendung von zirkulär 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 zirkulär 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.

Eine bekannte Antenne für zirkulär polarisierte Wellen (vgl, US-PS 29 72 147) mit dem im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Aufbau verwendet keine besonderen Mittel zum Koppeln des Dipols mit dem Schlitzstrahler. Vielmehr müssen für eine Änderung des Kopplungsgrades die relativen Abmessungen zwischen Dipol und Schlitzstrahler, wie z. B. die Tiefe des Hohlraumes, variiert werden, was äußerst aufwendig ist.

Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine Antenne der eingangs genannten Art so auszubilden, daß eine erhöhte Variationsmöglichkeit für den Kopplungsgrad zwischen Dipol und Schlitzstrahler geschaffen wird.
Diese Aufgabe wird bei einer Antenne nach dem

5 Oberbegriff des Patentanspruches 1 erfindungsgemäß durch die in dessen kennzeichnendem Teil angegebenen Merkmale gelöst.

Durch die asymmetrische Anordnung des Leiterelements kann der Kopplungsgrad zwischen Dipol und

ίο Schlitzstrahler in weiten Grenzen variiert werdei;, ohne die Abmessungen des eigentlichen Dipols und des eigentlichen Schlitzstrahlers verändern zu müssen.

Die erfindungsgemäße Antenne zum Empfangen oder Senden von zirkulär polarisierter elektromagnetischer Strahlung hat also einen Dipol, der in üblicher V'eise im wesentlichen in der Öffnung eines Schlitzes montiert ist, und außerdem Mittel zum asymmetrischen Koppeln des Schlitzes mit dem Dipol. Der Dipol kann gefaltet sein, weshalb ein verhältnismäßig flacher elektromagnetischer Hohlraum verwendet werden kann. Der Dipol ist auf einer Seite einer isolierenden Unterlage oder Grundplatte ausgebildet, während auf der anderen Seite im wesentlichen gegenüber dem Dipol das schmale Leiterelement vorgesehen ist, wobei ein Teil des Dipols, der Unterlage und des Leiterelements zusammen eine Band- oder Streifenleitungseinspeisung bilden, die ein Anpassungsnetzwerk haben kann, das durch einen weiteren Teil des Dipols, der Unterlage und des Leiterelements gebildet wird.

Diejenigen Teile des Dipols, die auch einen Teil der Streifenleitungseinspeisung und des Anpassungsnetzwerks bilden, können breiter als der übrige Dipol sein.

Eine vorteilhafte Weiterbildung der Erfindung ist im Patentanspruch 2 angegeben.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnung näher erläutert, in der Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne dargestellt sind. Es zeigt

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

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

Fig.3 eine Bodensicht eines Te^!ls der Antenne von F i g. 1; und
Fig.4 eine Abwandlung der Antenne nach den F i g. 1 —3 mit einem angeschlossenen Schaltkreis.

F i g. 1 —3 sind maßstabsgerechte Figuren mit demselben Maßstab. Die Maßstabsskala unterhalb Fig. 1 und 2, die gleich λ/2 ist, wobei λ die Wellenlänge des zu sendenden oder zu empfangenden Signals ist, deutet die relative Größe der Antenne an. Bei geeigneter Dimensionierung kann die Antenne im L-Band (in der Größenordnung von 1600 MHz) oder bei Ultrahochfrequenzen (UHF) arbeiten.
In der Zeichnung sind zu sehen eine rechteckige isolierende, verlustarme Unterlage 1, z. B. aus Glasfasern, mit einer aus einem Leiter bestehenden Wand 2, die einen rechteckigen Schlitz 3 aufweist, der durch einen mittig eingeschnittenen Rand der Wand 2 begrenzt wird, und die auf einer Seite der Unterlage 1 aufgedruckt ist. Auf derselben Seite der Unterlage 1, mittig innerhalb der Wand 2 und davon isoliert, befindet sich ein Faltdipol 4, gebildet durch einen Leiter, der durch einen Rand 5 begrenzt wird. Ein kleiner Spalt 6 befindet sich in der Mitte des Dipols 4. Der Dipol 4 nimmt einen rechteckigen Bereich ein, dessen Breit- und Schmalseiten parallel zu den Breit- und Schmalseiten des Schlitzes 3 liegen. Die Schmalseiten des Dipols 4 sollen im folgenden als Enden 21 bezeichnet werden.

Der Dipol 4 ist symmetrisch um eine Symmetrielinie 7 aarallel zu den Enden 21 und von diesen äquidistant ingeordnet Die Teile des Dipols 4 auf beiden Seiten des Spaltes 6 sind schmaler als der übrige Dipol 4. Auf der 2ntgegengesetzten Seite der Unterlage 1 sind ein rechteckiges Leiterelement 8 und ein schmaler Streifen ί eines Leiters aufgedruckt Das eine Ende des schmalen Streifens 9 liegt über dem Spalt 6 des Dipols 4 und ist elektrisch mit dem Dipol 4 in der Nähe des Spaltes 6 verbunden, und zwar durch eine Zuleitung 10, die sich durch die Unterlage 1 erstreckt Der übrige Streifen 9 liegt über dem Dipol 4 und folgt dem Verlauf nach etwas mehr als der Hälfte des Dipols 4. Der Streifen 9, die Unterlage 1 und der Dipol 4 erlauben eine Streifenleitungseinspeisung, deren zum Spalt 6 des Dipols 4 entgegengesetztes Ende in einem Anpassungsnetzwerk endet Das Anpassungsnetzwerk hat einen Serienzweig 11 und einen Parallelzweig 12. Der Serienzweig 11 besteht aus einem Teil des Streifens 9, der teilweise über die Symmetrielinie 7 hinaus vorspringt Der Parallelzweig 12 besteht aus einer kollinearen Verlängerung des Streifens 9. Der Streifen 9 ist ein kapazitiver Koppiungsstreifen zum Koppeln des Schützes 3 und des Dipols 4. Er befindet sich mit seiner Schmalse^e parallel zum Streifen 9 in der Nähe des Anpassungsnetzwerks und ist dem Schlitz 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 λ die Wellenlänge der zu sendenden oder zu empfangenden Strahlung ist, ist elektrisch und mechanisch mit der Wand 2 an den Kanten seines offenen Endes an Stellen 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 Le'uer 13 und der Mitte des breiteren Arms des Dipols 4 an Stellen 17 verbunden. Der Innenleiter 16 ist isoliert durch den Faltarm des Dipols 4 und die Unterlage 1 geführt und elektrisch mit dem Ende des Serienzweigs 11 des Anpassungsnetzwerks verbunden.

Die Antenne von Fig. 1—3 ist für die Montage in einem Flugzeug (nicht gezeigt) vorgesehen, wobei die Fläche der Unterlage 1, die das Leiterelement 8 und den Streifen 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 4 sich in der vertikalen Ebene befindet, wenn das Flugzeug normal fliegt. Die Wand 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 4 anpaßt Der Dipol 4 wird erregt und sendet linear polarisierte Strahlung. Der Dipol 4 ist auch über das Leiterelement 8 mit dem Schlitz 3 kapazitiv gekoppelt, der ebenfalls linear polarisierte Strahlung sendet. Die Abmessungen des Dipols 4 und des Schlitzes 3 sowie des Leiterelements 8 und ihre Lage zueinander sind so bemessen, daß die Strahlungen vom Schlitz 3 und Dipol 4 in crihogonalen 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 π/2 phasenverschobene Wellen betrachtet werden, die in zwei orthogonalen Ebenen linear polarisiert sind. Im Empfangsbetrieb spricht der Schlitz 3 auf eine dieser Wellen und der Dipol 4 auf die andere Welle an; wenn das Leiterelement 8 geeignet bemessen und angeordnet ist geben diese beiden Signale zusammen ein resultierendes Signal im Kabel 15 mit 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 -olarisierter einfallender Strahlung besteht

Wenn der Dipol 4 nicht mit dem Schlitz 3 durch das Leiterelement 8 gekoppelt wäre, würde ein am Dipol 4 angelegtes Signal dazu tendieren, gleichgroße, piiasengleiche Ströme parallel zu den Breitseiten der Schlitze 3 zu induzieren. Derartige symmetrische Ströme wurden keinen auswertbaren resultierenden Effekt bringen. Das Leiterelement 8 befindet sich daher an einer Seite der Symmetrielinie 7, um eine kleine Kapazität zwischen die eine Seite des Schlitzes 3 und den einen Arm des Dipols 4 einzuführen. Dies bewirkt, daß die Ströme parallel zu den Breitseiten des Schlitzes 3 in der Wand 2 unsymmetrisch induziert werden. Phasengleiche Ströme fließen daher um die beiden Enden des Schlitzes 3. so daß dieser ausstrahlt oder anspricht auf Strahlung mit einer Polarisation in einer Ebene orthogonal zu und im gezeigten Fall um 90° phasenverschoben zu der des Dipols 4.

Der Schlitz 3 ist am empfindlichsten gegenüber Strahlung, die in einer Ebene parallel zu den Sc-.malseiten des Schlitzes 3 polarisiert ist, im folgenden horizontal polarisierte Strahlung genannt, während der Dipol 4 am empfindlichsten gegenüber Strahlung ist, die in einer Ebene parallel zu den Breitseiten des Schlitzes 3 polarisiert ist, im folgenden vertikal polarisierte Strahlung genannt Wenn das Leiterelement 8 sich mit seiner Mitte in den Punkten Coder D von Fig. 1 befindet, d. h. nahe den Enden 21 des Dipols 4. sind Ausstrahlung oder Empfangen des Schlitzes 3 dominierend, und die Antenne sendet oder empfängt am besten horizontal polarisierte Strahlung. Wenn die Kopplung geeignet verringert ist durch Verringerung der Abmessungen des Leiterelements 8 im Punkt Coder D, ist der Empfang des Schlitzes 3 verschlechtert, und schließlich sendet oder empfängt die Antenne gleich nut horizontal polarisierte Strahlung und vertikal polarisierte Strahlung. Dann ist jedoch die Phasenverschiebung zwischen der horizontal polarisierten Strahlung und der vertikal polarisierten Sm!llung 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 brw. Oberfläche der Antenne und um 45° gegen die Breitseiten des Schlitzes 3 geneigt.

Keine brauchbarzn Ergebnisse werden erhalten, wenn die Mitte des Leiterelenienls 8 sich auf der

Symmetrielinie 7 befindet: wenn jedoch das Leiterelement 8 sich mit seiner Mitte im Punkt Sauf der anderen Seite der Symmetrielinie 7 zum Punkt A und davon äquidistaint entfernt befindet, ist der Betrieb der Antenne ähnlich demjenigen, wenn das Leiterelement 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 links-zirkular polarisierte Strahlung gesendet oder empfangen werden soli. Diese Technik kann angewendet werden, um mit einer einzigen Antenne Verbindung mit Satellitem aufzunehmen, die mit Antennen für beide Drehsinne versehen sind. Ein derartiges Ausführungsbeispiel der Antenne ist schematisch in Fig.4 gezeigt. Die Abmessungen und der Zusammenbau der verschiedenen Bauteile der Antenne sind identisch hut denen der Antenne von Fig. 1 —3 bis auf die Ausnahme, daß zwei Koppel-Leiterelemente 8 und 8' auf der Unterlage 1 aufgedruckt sind. Das Leiterelement 8 befindet sich mit seiner Mitte im Punkt A (vgl. Fig. 1) und das Leiterelement 8' mit seiner Mitte im Punkt B (vgl. Fig. I). Die beiden Leiterelemente 8 und 8' haben dieselben Gesamtabmessungen wie das Leiterelement 8 •on F t tr !; sie sind jedoch beide in zwei voneinander isolierte leitende Bereiche aufgeteilt. Die beiden Teile oder Bereiche jedes Leiterelementes 8 und 8' sind durch HF-Schaltdioden 18 bzw. 18' überbrückt. Ein zweipoliger Umschalter 19 ist mit einer Gleichspannungsquelle 20 und mit den Schaltdioden 18 und 18' so verbunden, daß er in einer Stellung die Schaltdiode 18 in Sperrichtung und die Schaltdiode 58' in Durchlaßrichtung vorspannt, während er in der anderen Stellung die Schaltdiode 18 in Durchlaßrichtung und die Schaltdiode 18' in Sperrichtung vorspannt.

Wenn die Schaltdiode, die an den beiden Teilen eines der beiden Leiterelemente 8 und 8' angeschlossen ist, in DurchlaiSrichtung vorgespannt ist, sind die beiden Teile elektrisch miteinander verbunden, und der Dipol 4 und der Schlitz 3 sind durch dieses Leiterelement kapazitiv gekoppelt. Wenn die Schaltdiode, die an den beiden Teilen eines der beiden Leiterelemente 3 und 8' angeschlossen ist. in Sperrichtung vorgespannt ist, so sind die beiden Teile elektrisch voneinander isoliert, und die kapazitive Kopplung zwischen dem Dipol 4 und dem Schlitz 3, die durch dieses Leiterelement hervorgerufen wird, ist vernachlässigbar klein.

to Es ist gezeigt worden, daß die zirkulär polarisierte Strahlung, die durch die Antenne empfangen oder gesendet wird, wenn das Leiterelement 8 S'ch im Punkt A befindet, nur im Drehsinn von der Strahlung abweicht, wenn das Leiterelement 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 tier iiiei beschriebenen Antennen ist der Empfangsgewinn größenordnungsmäßig + 5 dB gegenüber dem Gewinn einer theoretischen Antenne, die eine isotrope Charakteristik bei zirkulär polarisierter Strahlung aufweist. Die Antennen können in Gruppen angeordnet werden, die zwei oder mehr derartige Antennen in an sich bekannter Weise haben, um den Antennengewinn zu erhöhen. Die Antennen in einer derartigen Gruppe können auch phasengesteuert werden, damit die Richtcharakteristik — wiederum in an sich bekannter Weise — elektrisch geschwenkt werden kann.

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 befestigt ist. Es ist dann nur ein kleines Loch im Rumpf erforderlich, um das Koaxialkabel mit der Antenne zu verbinden. Das niedrige Profil der Antenne dürfte keine aerodynamischen Probleme bewirken, obwohl eine

•to Antennenkuppel wünschenswert sein kann, um die Leiter der Antenne vor Wettereinflüssen zu schützen.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1, Antenne für zirkulär polarisierte elektromagnetische Wellen bestehend aus einem in einer Wand eines elektromagnetischen Hohlraumresonaiors angebrachten länglichen Schlitzstrahler und einem innerhalb dessen Schlitzes in der Schlitzebene angeordneten Dipol mit einer mit dem Dipol verbundenen Speiseeinrichtung und mit Mitteln zum Koppeln von Dipol und Schlitzstrahler, dadurch gekennzeichnet,

daß als Mittel zum Koppeln von Schlitzstrahler und Dipol (4) ein über der Wand (2) des Hohlraumresonators (2, 13) asymmetrisch in bezug auf die zur kurzen Abmessung des Schlitzes (3) parallele Mittelachse (7) des Schlitzstrahlers jedoch in deren Nähe angeordnetes und den Schlitz teilweise überdeckendes Leiterelement (8) vorgesehen ist (Fig. Ibis 3).
2. Antenne nach Anspruch I₁ dadurch gekennzeichnet,

daß ein zweites, bezüglich der Mittelachse (7) des Schlitzstrahlers symmetrisch zum ersten Leiterelement (8) liegendes Leiterelement (8') vorgesehen ist und

daß beide Leiterelemente in je zwei nur über Schaltdioden (18,18') elektrisch miteinander verbundene Teilbereiche unterteilt sind (Fig. 4).