DE2307398A1

DE2307398A1 - Reflektorantenne

Info

Publication number: DE2307398A1
Application number: DE19732307398
Authority: DE
Inventors: Hermann W Dr Ing Ehrenspeck
Original assignee: Ehrenspeck hermann W dr-Ing
Current assignee: Ehrenspeck hermann W dr-Ing
Priority date: 1972-02-15
Filing date: 1973-02-15
Publication date: 1973-09-06
Also published as: US3742513A; BR7301144D0

Description

PATENTANWALT 800O MÜNCHEN 90 JDIFb-INC. W. GBAF ArEBFBMBSTHASSE »4/*.AU»».

TELEFON 444888

BES CH REIBUNG zu der Patentanmeldung

Dr. Hermann W. Ehrenspeck

94 Farnham Street
Belmont, Mass. 02178 USA

betreffend
Re flektorant enne

Die Erfindung bezieht sich auf eine auf optimalen Gewinn eingestellte Reflektorantenne mit einem vor der Reflektorfläche angeordneten Erreger und einem den Reflektorrand umgebenden vorspringenden Randring.

Der Gewinn von Reflektorantennen ist eine Punktion der Größe der Reflektorfläche und des Flächenwirkungsgrades* Der Reflektor kann die verschiedensten Größen und-Formen haben. So werden beispielsweise große Parabolreflektoren mit Durchmessern von Hunderten von Wellenlängen wegen ihres hohen Gewinnes insbesondere in der Raumfahrt und in der Radioastronomie verwendet. Ebene Reflektoren mittlerer Größe mit Durchmessern bis zu 10 Wellenlängen bzw. rechteckige oder ovale Reflektoren mit äquivalenten Flächen werden bei Vielelement-Strahlern üür Telemetrie und Satellitenführung benutzt. Kleinere ebene Reflektoren oder Winkelreflektoren, deren Flächen ungefähr denen von kreisförmigen Reflektoren mit Durchmessern von etwa einer bis drei Wellenlängen entsprechen, werden vor allem als Nachrichten- und Pernsehempfangsantennen , und neuerdings auch als Sende- und Empfangsantennen in Bodenstationen von Satellitennachrichtensystemen verwendet.

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Die vorliegende Erfindung betrifft insbesondere Reflektorantennen mit mittleren und kleineren Reflektoren. Eine wesentliche Forderung an solche Antennen ist einerseits ein hoher Gewinn und andererseits eine möglichst geringe Seiten- und Rückwärtszipfelung des Strahlungsdiagrammes bei möglichst kleinen Abmessungen und einfachster Gesamtkonstruktion. Die bisher üblichen Reflektorantennen erfüllen diese Bedingungen nur unzureichend. So hat beispielsweise eine Winkelreflektorantenne zwar ein grünstiges Strahlungsdiagramm, jedoch ist ihr Gewinn aus niedere Werte von etwa 1Λ dB begrenzt. Ein Parabolreflektor kleinen Durchmessers erreicht zwar verhältnismäßig hohe Gewinne _s jedoch ist hier wieder die Seitenaufzipfelung ungünstig hoch. Bei einer Gitterwandantenne ist der Gewinn niedrig, solange sie nur durch ein einziges Spei- seeelement erregt ist. Höhere Gewinne können zwar durch vergrößerte Relektorflache erzielt werden, doch wird dann ein sehr·kompliziertes Speisesystem mit mehreren Dipolen benötigt.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine Reflektorantenne mittleren oder kleinen Reflektordurchmessers zu schaffen, die verglichen mit einer bekannten Antenne gleicher Reflektorfläche einen höheren Gewinn besitzt, niedrigere Seiten- und Rückwärtszipfelung des Strahlungsdiagrammes und darüber hinaus eine kürzere axiale Länge und eine einfache Bauweise ermöglicht..

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß ausgehend von einer- Reflektorantenne der eingangs erwähnten Art· gelöst durch die Maßnahme nach dem Hauptanspruch. Weitere vorteilhafte Ausgestaltungen der erfindungsgemäßen Reflektorantenne ergeben sich aus den Unteransprüchen und der nachfolgenden Beschreibung.

Es ist bei Reflektorantennen dieser Art an sich bekannt,:einen in Richtungs des Erregers vorspringenden Randring vorzusehen.,.

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Jedoch ist bei diesen bekannten Antennen dieser Randring nicht im Sinne der Erfindung in seinem Abstand gegenüber dem Reflektor bemessen, sondern allenfalls zur Verringerung der Rückwärtsstrahlung vorgesehen. Durch die erfindungsgemäße Bemessungsvorschrift für die Einstellung des Randringes gegenüber dem Reflektor und dem gemeinsamen Erreger wird insgesamt eine neuartige Reflektorantenne geschaffen, die verglichen mit gleich großen bekannten Reflektoren eine Verdoppelung des Gewinnes ermöglicht. Bei der erfimdungsgemäßen Antenne wird nämlich über den Erreger gleichzeitig auch der Rand des Randringes durch Strahlungskopplung zu einer Sekundärstrahlung angeregt, die einen maßgeblichen Einfluß auf das Strahlungsdiagramm der kombinierten Antenne besitzt, wenn die Einstellung so gewählt ist, daß diese Sekundärstrählung bezüglich Amplitude und Phase auf das Speisesystem optimal gewählt ist. Eine erfindungsgemäße Antenne besteht also aus zwei Strahlersystemen, nämlich einem "Primärstrahler", gebildet durch den Erreger und die dahinter angeordnete Reflektorfläche, sowie einem "Sekundärstrahler", gebildet durch den Rand des vorspringenden Randringes, der ebenfalls durch den Erreger erregt wird. Da beide Strahler vor einem gemeinsamen Reflektor angeordnet sind, besitzen beide in die gleiche Richtung weisende Richtdiagramme mit der maximalen Richti.'irkung ihrer Kombination in der Kormalaehse des Reflektors. Die Strahlungsdiagramme der Kombinationsantenne können durch Überlagerung der Diagramme der Einzelstrahlersysteme ermittelt werden. Höchster Gewinn wird erzielt, wenn die Pernfelder beider Strahler nach Einstellung ihrer optimalen Amplituden in Phase sind, niedrigster Gewinn, v/enn sie um l80 ° in der Phase verschoben sind. Brauchbare Ergebnisse können selbstverständlich auch noch bei geringfügigen Phasenverschiebungen dazwischenliegen.

Die Erfindung wird im folgenden an Hajid schematischer Zeichnungen an mehreren Ausführungsbeispielen näher erläutert.

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Pig. 1 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Antenne und zwar in der einfachsten Form. Pig. la zeigt die Frontansicht und Fig. Ib den Querschnitt. Der kreisförmige ebene Reflektor 1 hat einen Durchmesser D.. Er ist umgeben von einem Umfangsring 2 mit einer Breite oder Höhe W-p. Der Ring 2 kann nach, rechts bis in die äußerste ge- - strichelte Stellung verschoben werden. Der Rand L des Umfangsringes 2, der durch zwei kleine Kreise in Fig. Ib angedeutet ist, stellt den Randstrahler dar. Seine Ebene/ die gleichzeitig die Apertureberie der Kombinationsantenne darstellt, ist durch die gestrichelte Linie P angedeutet, die in einem Abstand d„ vom Reflektor 1 parallel zu diesem verläuft. Das Speisesystem 3 ist in einem Abstand d„ von etwa einer halben bis einer Wellenlänge vor dem Reflektor 1 angeordnet. Es ist in seiner einfachsten Form ein Dipol für lineare Polarisation oder ein Kreuzdipol für zirkuläre Polarisation. Reflektor 1 und Umfangsring 2 bilden zusammen eine Reflektorantenne mit einstellbarer Tiefe d„, die durch den Dipol 3 gespeist ist. Die Antenne kann sowohl als Sendeais auch als Empfangsantenne verwendet werden.

Der Gewinn eines aus einem einzigen Dipol bestehenden Erregerstrahlers ändert sich nur wenig für Reflektorflächen von un-

p ρ '

gefahr 0,7 λ- bis 1,5 λ . Es hat sich aber gezeigt, daS der Gewinn der aus dem Erreger- und dem Randstrahler bestehenden Kombinationsantenne, obwohl er mit der Reflektorfläche kontinuierlich ansteigt, Maxima und Minima durchschreitet. Messungen an kreisförmigen Modellen von Antennen gemäß der Erfindung, deren Durchmesser variiert wurden und deren kreisförmige Randstrahler also verschiedene Umfahgslängen hatten, ergaben, daß Gewinnmaxima für Durchmesser von ungefähr 1,35 ^, 2,35 λ und 3»35 * erreicht wurden und Minima bei Durchmessern von ungefähr 1,75 "λ und 2,75 λ auftraten. ,

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_ 5 —

Eine erfindungsgemäße Antenne ist bei einer gegebenen Frequenz dann auf Höchstgewinn eingestellt, wenn die folgenden drei Bedingungen erfüllt sind:

1. Wenn der Durchmesser D. des Umfangsringes, d.h. des Randstrahlers einen der Optimalwerte von ungefähr

^DA, opt = (ⁿ + 0,35.) λ mit η = 1, 2, 3 ..··. annimmt ;

2. wenn der Abstand d_£ des Randstrahlers vom Reflektor 1 so eingestellt ist, daß die Pernfeider des Randstrahlers L und des Erregerstrahlers 3 senkrecht zur Ebene des Reflektors 1 gleichphasig sind; ;

3· wenn die Strahlungskopplung zwischen Erreger- und Randstrahler stark genug ist, so daß der Randstrahler L einen wesentlichen Beitrag zum Fernfeld der Kombination beider Strahler liefert.

Die- Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antenne wird am besten verständlich, wenn man die Feldverteilung in ihrer strahlenden Apertur betrachtet. Nach Fig. 2a ist der Erregerdipol 3 parallel zum Reflektor 1 angeordnet und in Richtung normal zur Zeichenebene orientiert. Die Amplituden-Verteilungskurve:; in der Apertur P der Antenne kann mit einer kleinen Sonde gemessen werden, die in einem geringen Abstand von der Reflektorfläche 1 in einer dazu parallel liegenden Ebene durch die Apertur der Antenne geführt wird. Die strichpunktierte Linie X zeigt die Ebene, in der die Sonde bewegt wird, und Y die Normalachse der Antenne.

Fig. 2b zeigt in einem Koordinatensystem mit X als Horizontal- und Y als Vertikalachse die idealisierten Apertur-Feldverteilungskurven des Erreger- und Randstrahlers, so wie wenn beide getrennt gespeist wären. Die Abszissen auf der

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X-Achse sind immer im gleichen Maßstab gezeichnet wie die Dimensionen des Reflektors 1. Die langgestrichelte Linie ■ ist die Feldverteilungskurve des Erregerstrahlers, die aufgrund von ausführlichen Aperturfeldmessungen für Reflektordurchmesser kleiner als ungefähr 2,5 ^ durch eine Kosinuskurve angenähert werden kann. Die kurzgestrichelten Linien sind die kosinusförmigen Feldverteilungskurven des Randstrahlers L, wobei die zwei Maxima (an den Punkten K auf der X-Achse .direkt über dem Rand des Umfangsringes) mit der halben Amplitude des Erregerstrahlers angenommen sind. Obwohl der größere Teil des vom Erregerstrahler erzeugten Aperturfeldes als innerhalb der Reflektorfläche liegend angenommen werden kann, so zeigt doch Fig. 2b, daß sich das vom Randstrahler erzeugte Feld sowohl innerhalb als auch außerhalb der Reflektorfläche ausdehnt.

Fig. 2c zeigt in der X-Y-Ebene die Feldamplituden-Verteilungskurve der Kombination der beiden Strahler, .nachdem ihre Phasenlagen optimal eingestellt sind. Es zeigt sich, daß sich die strahlende Apertur der erfindungsgemäßen Antenne wesentlich über den Rand des Umfangsringes hinaus ausgedehnt hat. Messungen haben gezeigt, daß ungefähr die gleiche Feldverteilungskurve auch in der Y-Z-Ebene -vorhanden ist. Aus der resultierenden zweidimensionalen Vergrößerung der strahlenden Apertürflächen folgt ein Gewinnanstieg, der angenähert proportional dem Verhältnis der Flächen der neuen vergrößerten "effektiven" Apertur zu der kleineren physikalischen Apertur der Antenne ist. Diese Verhältnisse sind in Fig. 2d, die eine Frontansicht der Antenne nach Fig. 2a zeigt, dargestellt." Die kreisförmige Fläche in der Mitte ist die physikalische Aperturfläche A mit dem Umfangsring Die virtuelle Fläche außerhalb A, die durch Schraffieren markiert ist, zeigt den Teil der Aperturfläche, der durch

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die Optimaleinstellung der erfindungsgemäßen Antenne hinzugefügt wurde. Man sieht, daß die neue effektive Apertur ungefähr die doppelte Größe der physikalischen Apertur hat und daß deshalb der Gewinn der Antenne um ungefähr J dB
erhöht ist. Der Gewinnanstieg könnte sogar noch etwas größer sein, wenn mehr Energie in den Randstrahler gekoppelt
würde. Das günstigste Verhältnis der dem Erreger- und Randstrahler zuzuführenden Energieanteile muß durch Experiment bedtimmt werden. Es wird später in Fig. 6 gezeigt, daß die von der beschriebenen Analyse der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antenne gewonnenen Ergebnisse in guter Übereinstimmung mit den an praktischen Antennenmodellen.ermittelten experimentellen Ergebnissen sind.

Die effektive Apertur der Antenne kann auch kleiner als
ihre physikalische Apertur werden, wenn der Erreger- und
Randstrahler in Phasenopposition abstrahlen. Dann ist die
Reflektorfläche nur teilweise ausgeleuchtet und der Gewinn der Antenne kleiner.

Obige Erklärung der Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Antenne zeigt, daß ihre Einstellung auf Höchstgewinn nur durch die Erfüllung der erwähnten Bedingungen 1, 2 und 3 möglich ist. Sollte aber, zurr, Beispiel aus Raumgründen, die Bedingung 1 (optimaler Reflektordurchmesser) nicht erfüllt
werden können, dann bleibt immer noch eine Einstellbarkeit für den unter den gegebenen Verhältnissen optimalen Gewinn durch Erfüllung der Bedingungen 2 und 3« Eine derartig begrenzte Optimaleinstellung kann für jede Reflektorgröße
von Antennen der beschriebenen Bauweise angewendet werden, allerdings bleibt der Gewinnanstieg kleiner.

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Der optimale Durchmesser des Umfangsringes läßt sich leicht ermitteln, wenn man in die Gleichung D., . _v = (η + 0,35) * λ die Wellenlänge der gewünschten Betriebsfrequenz für die erfindungsgemäße Antenne einsetzt. Es ist aber nicht so einfach, die für Höchstgewinn einzustellende Breite oder Höhe des Umfangsringes (Bedingung 2) zu ermitteln, da die PhasenbeziehungV zwischen dem Erreger- und Randstrahler sehr kompliziert sind. Bezieht man alle Phasen auf die Phasenlage des Erregerstrahlers, dann ist die totale Phasenverschiebung zwischen beiden Strahlern eine Punktion des Abstandes zwischen dem Dipol und dem Randstrahler L und den Abständen d_, und d„ (Pig. la).' Außerdem muß die räumliche Phasenverschiebung zwischen Erreger- und Randstrahler einbezogen werden. Es ist viel einfacher, die optimale Phaseneinstellung experimentell durch Variation des Abstandes d„ (Fig. la) durchzuführen, bis ein Strahlungsmaximum in der Richtung normal zu der Ebene des Reflektors 1 gemessen wird. Deshalb muß der TJmfangsring so ausgebildet sein, daß eine genügend weite Variationsmöglichkeit für den Abstand d„ gewährleistet ist. So kann zum Beispiel die Antenne gemäß Pig. Ib auf Höchstgewinn durch Verschieben des Umfangsringes 2 längs des Randes des Reflektors 1 eingestellt werden.

Für die Erfüllung der Bedingung 3 nach Optimaleinstellung der erfindungsgemäßen Antenne muß in Betracht gezogen werden, daß die Strahlungskopplung zwischen Erreger- und Randstrahler umgekehrt proportional ihrem gegenseitigen Abstand ist und deshalb mit Vergrößerung des Reflektors abnimmt. Es wurde gefunden, daß für Antennen mit Reflektorflächen

kleiner als ungefähr 2 λ- ein einzelner Dipol oder ähnlicher Strahler als Speisesystem ausreichend ist. Antennen gemäß

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der Erfindung- mit Reflektorflächen zwischen 2,5 "λ und 5 Λ brauchen dagegen ein Speisesystem, dessen strahlende Apertur'

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größer ist als die eines einfachen Dipols, um eine ausreichend starke Kopplung der Energie im Randstrahler zu gewährleisten und gleichzeitig eine ,günstigere Ausleuchtung der Reflektorflächen zu erhalten. Ein solches Speisesystem ist zum Beispiel die Kombination eines Dipols und einer kleinen Reflektorscheibe, wie sie bei der sogenannten Kurzen Backfire-Antenne verwendet wird, die Gegenstand der Patentanmeldung P 15 91 110.1 des Anmelders ist. Fig. 3a und 3b zeigen eine erfindungsgemäße Antenne mit einem derartigen Speisesystem bei einem kreisförmigen Reflektor 1. Der zusätzliche kleine Reflektor 5* hier eine kreisförmige Metallscheibe, hat den Abstand d„vom Reflektor 1. Die Einstellt

lung dieser Antenne wird auf die gleiche Art wie bei der Antenne gemäß Pig. Ib vorgenommen.

ρ Für Reflektorflächen größer als 5 "λ steigt der Gewinn nur noch langsam an, da die Strahlungskopplung zwischen Erregerund Randstrahler immer geringer wird und die Ausleuchtung der vergrößerten Reflektorfläche immer ungünstiger wird. Um diese Schwierigkeiten zu überwinden, wird hier ein anderes Speisesystem benötigt, zum Beispiel eines* das aus mehreren einzeln gespeisten Dipolen oder aus mehreren Kombinationen von Dipolen mit kleinen Reflektorscheiben besteht, die nach Fig. 4 vor einem gemeinsamen Reflektor 1 angeordnet sind. Es wurde gefunden, daß für beste Ergebnisse alle Einzelstrahler in einem gegenseitigen Abstand von ungefähr 1 λ bis 1,25 λ liegen sollten. Auch der Randstrahler sollte in ungefähr dem gleichen Abstand von den benachbarten Einzelstrahlern angebracht sein. Fig. 4 zeigt eine Frontansicht einer solchen Antenne mit,einem aus vier Kreuzdipolen 4a - 4d bestehenden.Erregerstrahler. Die Form des gemeinsamen Reflektors 1 ist die eines Quadrates mit abgerundeten Ecken. Es wurde gefunden,'daß für die Höchstgewinn-Einstellung dieser

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Antenne die Umfangslinie C. des Randstrahlers nach der Gleichung C_A _Q . = (l,1 + η · Jf )· λ mit η = 1, 2, J

bestimmt werden kann. In Fig. 4 sind auch die zusätzlichen kleinen .Reflektorscheiben 4e bis 4h eingezeichnet..

Die durch die optimale Einstellung der erfindungsgemäßen Antenne erreichbare Gewinnerhönung läßt sich wegen des komplizierten Zusammenwirkens aller Antennenparameter nicht ge- ·■ nau ermitteln. Sie läßt sich aber deutlich zeigen durch Vergleich der E- und H-Ebenen-Diagramme, die vor und nach der. Optimaleinstellung gemessen und in den Fig. 5ä und 5b gezeigt sind. Letztere entsprechen den in den Fig. 5c und 5d gezeigten Antennen. Der Reflektordurchmesser ist D. = 1,75 ' und der Abstand d„ ist auf 0,25 λ konstant gehalten.

Die Antenne der Fig. 5c besteht nur aus Reflektor und Erregerstrahler. Mit den Bezeichnungen der Fig..Ib hat der Umfangsring die Breite W„ = 0 und der Abstand des Randstrahlers vom Reflektor ist d„ = 0. Dies bedeutet, daß der Rand des Reflektors 1 selbst den Randstrahler darstellt., wie durch die kleinen Kreise angedeutet ist.

Die gemessenen E- und H-Ebenen-Diagramme dieser Antenne sind in Fig. 5a. durch die ausgezogene bzw. gestrichelte Linie dargestellt. Das Ε-Ebenen -Diagramm zeigt eine Halbwertsbreite von 48 ° und das in der Η-Ebene von 100 °.

Die Antenne der Fig. 5d hat die gleichen Reflektorabmessungen wie die der Fig. 5c ί doch ist nun der Urnfangsring 2 hinzugefügt, dessen äußere Kante als Randstrahler L wirkt. Der Umfangsring 2 mußte für -' : optimale Gewinneinstellung der erfindungsgemäßen Antenne auf einen Abstand d„ = 0,66 λ vom Reflektor 1 ausgezogen werden. Für größere Abstände würde der Gewinn wieder kleiner werden.

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Die E- und H-Ebenen-Diagramme dieser optimal eingestellten Antenne sind in Fig. 5~o wieder als ausgezogene bzw. gestrichelte Linie gezeigt. Man sieht, daß die Halbwertsbreiten der Diagramme von vorher 48 ° auf 32,5 ° in der Ε-Ebene und von vorher 100 ° auf 39 ° in der Η-Ebene verringert werden konnten. Diese Ergebnisse zeigen, daß es vor allem die starken Veränderungen in den H-Ebenen-Diagrammen sind, die den Gewinn der optimal eingestellten Antenne der Fig. 5d um fast 6 dB über den der Antenne der Fig. 5c erhöhen.

Die mit der erfindungsgemäßen Antenne erreichten Vorteile werden besonders deutlich, wenn man sie mit anderen Typen von Reflektorantennen vergleicht. Gewöhnlich wird der Gewinn solcher Antennen nach der bekannten Flächen-Gewinn-Gleichung D = ^¹⁷' ^A · ^e- berechnet, wobei A die Reflektorfläche, ausgedrückt in λ der Betriebsfrequenz ist und e den Flächenwirkungsgrad bedeutet, der bei guten Antennen meist zwischen 60 und 70% liegt.

Gemäß obiger Gleichung errechnet sich für die Antenne der Fig. Ib bei einem Reflektordurchmesser von 1,35 *» d.h. mit einer Reflektorfläche von 1,43 λ ein Gewinn von 11,6 (10,6 d3). Die Ξ- und H-Ebenen-Diagramme zeigen HaIbwertsbreiten von 3δ ° bzw. 45 °. Der für diese Antenne nach ihrer Optimaleinstellung gemessene Gewinn von 22,5 (13*5 dB) liegt um nahezu 3 dB über dem gerechneten Wert. Dieser starke Gewinnanstieg, der einer fast doppelt so großen Reflektorfläche entsprechen würde, kann nicht durch einen stark vergrößerten Flächenwirkungsgrad erklärt werden, der die Hundertprozentgrenze weit übersehritten hätte. Vielmehr läßt er sich nur durch eine durch die Optimaleinstellung der Antenne auf fast die doppelte Fläche vergrößerte effektive Apertur erklären.

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Der Gewinn eines anderen Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne mit einem Durchmesser von 2,35 λ errechnet sich zu 35/^ (15.» 5 dB), wenn die bekannte' Flächen-Gewinn-Formel angewandt wird. Der gemessene Gewinn von 65 (l8,l d3) ist um 2,6 dB höher als der berechnete Wert und zeigt damit eine Vergrößerung der strahlenden effektiven Apertur auf das ungefähr l,8fache. Eine weitere in Fig- h gezeigte erfindungsgemäße Antenne ergab einen Gewinn von 20 dB und ein ähnlich aufgebautes Modell mit 16 Dipolen einen Gewinn von 25 dB.

Pig. Ib stellt das einfachste und in seinen Anwendungsmöglichkeiten vielseitigste Ausführungsbeispiel der erfindungsgemaßen. Antenne dar. Eine solche Antenne ist wegen ihrer Zylinder-Symmetrie anwendbar sowohl für zirkuläre als auch für lineare Polarisation, vorausgesetzt, daß das Speisesystem für die entsprechende Polarisationsart geeignet ist. Weitere Vorteile dieser Bauweise sind niedrigste Nebenzipfel in den Diagrammen, höchster Flächenwirkungsgrad und größte Bandbreite. Die am meisten hervorstechenden Vorteile der erfindungsgemaßen Antenne sind aber die mit einer Periodizität von (n + 0,35) · λ für ihre Optimaldimensionen auftretenden Gewinnmaxima, die bei konventio-r nellen Reflektorantennen nur mit wesentlich größeren Reflektorflächen erreicht werden können.

Die Gewinnerhöhung der erfindungsgemäßen Antenne wird nicht nur mittels ebener Reflektoren erreicht; auch parabolische oder sphärische Reflektoren mit ovaler oder rechteckiger, statt der in Fig. Ib gezeigten kreisförmigen Umfangslinie können verwendet werden. An Stelle des linearen Dipols der Pig. Ib können auch Kreuz- oder Faltdipole, Spiralen, Rahmen, offene Wellenleiter oder aus solchen Elementen aufgebaute Strahler als Erregerstrahler verwendet werden.

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3ei dem Antennenmodell der Fig. Ib wird die optimale Phaseneinstellung dadurch erreicht, daß der Umfangsring 2 des -Reflektors 1 so weit über dessen äußeren Rand verschoben wird, bis ein Gewinnmaximum festgestellt wird. Eine andere Einstellungsmethode verwendet zwei teleskopartig ineinander schiebbare Umfangsringe. Noch eine andere Methode benützt eine Anordnung mehrerer paralleler Ringe aus Draht oder Metallstreifen, wobei die Einstellung auf Mäximalgewinn durch Änderung der Zahl der Ringe und/oder düares gegenseitigen Abstandes bis zu Werten von ungefähr l/lO der Wellenlänge der höchsten Frequenz erreicht wird.

Die in Fig. Ib, Jib und 4 gezeigten Aus f ührungs formen der erfindungsgemäßen Antenne sind für jede Polarisationsart verwendbar, für die der Erregerstrahler brauchbar ist. Falls aber nur lineare Polarisation verlangt wird, können die Teile des Umfangsringes, die nicht im wesentlichen in der Ε-Ebene des Errgerstrahlers verlaufen, weggelassen werden, da sie nur vernachlässigbar kleine Beiträge zum Gewinnanstieg der Antenne liefern. So benötigen zum Beispiel kreisförmige Reflektoren nur jene ungefähr 90 °weiten Sektoren des Umfangsringes, die hauptsächlich in Richtung der Polarisation des Feldes verlaufen. In Analogie dazu brauchen quadratische Reflektoren nur diejenigen beiden Seiten des Umfangsringes, die sich parallel zum Dipol-Erregerstrahler ausdehnen. Antennen mit einem Erregerstrahler, der aus vier oder mehr gespeisten Kreuz-Dipolen bestehen, benötigen aber in jedem Fall einen die ganze Randlinie des Reflektors umgebenden Umfangsring.

Bis jetzt wurden nur Antennendimensionen für bestimmte Frequenzen diskutiert und es wurde gezeigt, daß die erfinduhgsgemäße Antenne für Höchstgewinn für jede gegebene Frequenz

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eingestellt werden kann. Umfangreiche experimentelle Ar- . ;- r beiten haben aber gezeigt, daß sich bestimmte Kombinationen; :'-von Parametern finden lassen, die zu einer über einen weiten-Frequenzber'eich optimalen Antenne führen. Fig. 6 zeigt zum Beispiel die gemessene Gewinnkurve einer S-Band-Antenne gemäß Fig. ya als Funktion der Frequenz. Diese erfindungsgemäße Antenne ist für eine Frequenz f.. = 3*4 GHz optimal eingestellt durch Wahl eines optimalen Reflektordurchmessers von 2,35 \- und durch Anwendung der vorher beschriebenen optimalen Phaseneinstellung. Die über einen Frequenzbereich von 4 : 1 gemessenen Gewinne der Antenne sind in Fig. 6 als Funktion der auf f_M bezogenen Frequenz für den Bereich 0,3 f_M bis 1,2 f„ gezeigt. Außerdem ist in Fig. 6 für denselben Frequenzbereich und dieselbe Reflektorfläche auch die nach der Flächen-Gewinnkurve berechnete Gewinnkurve bei Annahme eines Flächenwirkungsgrades von 63% eingetragen. Diese berechnete Gewinnkurve gibt als Bezugskurve einen Gewinnvergleich der erfindungsgemäßen Antenne mit einer konventionellen Reflektorantenne mit gleicher Reflektorfläche.

Die Gexdnnkurve nach Fig. 6 zeigt Maxima an den mit m, und m₂ bezeichneten Punkten für die beiden Frequenzen, aie der Reflektordurchmesser von 1,35 λ., oder 2,35 λ^ erreicht hat und damit der Randstrahler seinen größten Beitrag liefert. Ferner stellt man ein Gewinnmihimum an dem mit Λ bezeichneten Kurvenpunkt fest, bei derjenigen Frequenz also, bei welcher der Reflektordurchmesser 1,75 A_M ist und der Randstrahler den niedrigsten Beitrag zum Gesamtstrahlungsdiagramm liefert; doch entspricht auch dieser niedrigste Gewinnwert immer noch einem Flächenwirkungsgrad von ungefähr 60$.

Es wurden auch die E- und H-Ebenen-Diagramme dieses Ausführungsbeispiels der erfindungsgemäßen Antenne über den gesamten Frequenzbereich von 0,30 f., bis 1,20 f_M gemessen.

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Dabei hat sich gezeigt, daß die Antenne günstige S'trahlungsdiagramme über einen Frequenzbereich von ungefähr 3*6 : 1 hat, wobei alle Nebenzipfel meist unter -20 dB liegen und Werte von -10 dB nur bei den höchsten Frequenzen erreicht werden. Die niedrigste Meßfrequenz von 0,30 f.» war durch den Frequenzbereich des Meßsenders bedingt. Da auch hier noch einwandfreie Diagramme gemessen wurden, kann man daraus
schließen, daß die Antenne eine Bandbreite größer als 4 : hat.

Die optimale Phasaneinsteilung für die Antenne mit 2,35 λ Durchmesser ist nicht auch optimal für jene Frequenz, die einem Reflektordurchmesser von zum Beispiel 1,75 λ entspricht%■ Deshalb wird eine neue Einstellung für letztere Frequenz
wieder eine Gewinnerhöhung - mit 2 dB geraessen - über den Gewinn für Punkt | der Gewinnkurve der Fig. 6 bringen. Diese Neueinstellung hat dann aber auch wieder den tiei dem Reflektordurchmesser von 2,35 λ gemessenen Höchstgewinn der Antenne verringert, so daß sich eine neue Gewinnkurve als Funktion der Frequenz ergeben wird, die von der in Fig. 6 gezeigten Kurve verschieden ist. Auf diese Weise läßt sich der Frequenzbereich der erfindungsgemäßen Antenne in einfacher Weise durch Variation des Reflektordurchmessers D. und/oder des Abstandes des Randstrahlers d^ von der Reflektorfläche verändern.

Patentansprüche

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Claims

PATESTASWAtT 8000 HUSCHES* 90

' λ. ÄfEKFElDSTBASSK 24/2.AÜFG.

/fa TELEFON 444888

Patentansprüche

Reflektorantenne mit einem vor der Reflektorfläche angeordneten Erreger und einem den Reflektorrand umgebenden vorspringenden Randring, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand (d„) des gegenüber der Reflektorfläche (l) vorspringenden Randes " (L) des Randringes (2) derart eingestellt ist, daß das Fernfeld des aus Erreger (3) und Reflektorfläche bestehenden Hauptstrahlers mit dem Fernfeld des als Sekundärstrahler des Erregers (3) wirkenden Randringes (2) in Phase ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der .Durchmesser (D } des Randringes (2) nach der Formel (n + 0,35)^ ge-

• "' "wählt ist mit η = 1,2,3·.. und λ = der Betriebswellenlänge.
3· Antenne nach Anspruch 1 oder.2, dadurch gekennzeichnet, daß der Randring (2) mit Preßsitz verschiebbar auf den Rand des Reflektors (l) aufgesetzt ist. _x
4. Antenne nach'einem der Ansprüche 1 bis 3> dadurch gekennzeichnet, daß der Randring (2) aus teleskopartig ineinander verschiebbaren Ringteilen besteht.

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Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, da durch gekennzeichnet, daß der. Erreger durch eine oder mehrere an sich bekannte sogenannte kurze backfire-Antennen (1,3*5; 4e bis 4h) gebildet ist.

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