DE2423420A1 - Radioelektrische richtantenne - Google Patents

Radioelektrische richtantenne

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Description

D i PI. -1 η g.
Rudolf Busselmeier
D i pi. -1 ng.
Rolf Charrier η / ο ο / ο η
»,,I« Si,- mi ok iu
Patentanwälte
Augsburg 31 · Postfach 242
Rehlingenstraße 8
Tel. 08 21/2 88 45
Postscheckkonto: München Nr. 1547 89-801
6675/01/UO/Fr Augsburg, 7. Mai 1974
Maurice TACUSSEL
105bis rue du Point du Jour
F-92100 BOULOGNE-BILLANCOURT
"Radioelektrische Richtantenne"
Die Erfindung betrifft eine radioelektrische Richtantenne mit mindestens zwei Elementar-Dipolantennen, die im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet und longitudinal zueinander versetzt sind und jeweils zwei in Form eines "V" angeordnete Strahlungselemente besitzen,
wobei der dem offenen Ende,von jedem Strahlungselement einer Elementarantenne gegenüberliegende Fuß durch eine Leitung mit dem Fuß des entspre-
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chenden Strahlungselements der benachbarten Elementarantenne und mit einem Ausgang der Antenne verbunden ist.
Eine erfindungsgemäße Antenne kann zur Emission und/oder zum Empfang von radioelektrischen Signalen bei Frequenzen zwischen einigen Hundert MHz und mehr als 1000 MHz verwendet werden.
Eine solche Antenne ist besonders geeignet für Verwendungszwecke, bei denen eine große Richtwirkung nötig ist, beispielsweise für Apparate, welche die Anwesenheit oder die Annäherung von Gegenständen überwachen; die Antenne ist aber ebensogut zum Empfang von VHF- und UHF-Fernsehstrahlungen geeignet.
Eine Antenne wird allgemein definiert durch ihre Richtcharakteristiken,
ihre Impedanz, welche derjenigen des Generators, der sie speist, oder derjenigen des Empfängers, der die von der Antenne aufgefangene Energie sammelt, angepaßt sein muß,
ihre Fähigkeit, diese Eigenschaften in einem großen Frequenzband zu behalten.
Eine andere Eigenschaft, die vom Typ der Antenne abhängt, ist ihr Wirkungsgrad; das heißt, die Be-
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Ziehung zwischen der Energie, die in einer gegebenen Richtung emittiert oder empfangen wird, und der äquivalenten Antennenoberfläche.
Es gibt verschiedene Antennentypen, mit denen sich zufriedenstellende Charakteristiken erhalten lassen, deren Verwirklichung jedoch mehr oder weniger komplex ist.
Wenn es nicht notwendig ist, eine Antenne mit großer Richtwirkung vorzusehen, kann es interessant sein, eine Antenne in Form eines "V" zu verwenden, die sich für eine einfache Verwirklichung besonders anbietet.
Die Antenne in Form eines "VM leitet sich von der Dipolantenne ab, von der sie sich durch Strahlungselemente unterscheidet, die mehrere Wellenlängen erfassen können und in Form eines "V" angeordnet sind. Die Erregungsquelle ist in Serie mit den beiden Strahlungselementen in der Spitze (im Scheitel) des "V" angebracht (vergleiche Antenna Engineering Handbook, Kapitel 4, Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, 1961).
Zur Erzielung einer maximalen Richtwirkung ist der Scheitelwinkel des "V" eine Funktion der Länge der Strahlungselemente.
Das Strahlungsdiagramm ist bi-direktional und besitzt sekundäre Strahlungslappen mit relativ ho-
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hem Niveau bezogen auf die Grundstrahlung (ungefähr -6 dB).
Der bi-direktionale Effekt' beruht auf der Ausbildung stationärer Wellen auf den Strahlungselementen.
Um eine uni-direktionale Strahlung zu erhalten, wurden mehrere Lösungen vorgeschlagen:
1. Longitudinale Anordnung von zwei oder mehreren Antennen: mit dieser Lösung kann trotz der Schwierigkeiten, auf die man trifft, wenn man die Koppeleffekte zwischen den Antennen beherrschen will, die Rückstrahlung in einem kleinen Frequenzgebiet um die Abstimmfrequenz der Anordnung beseitigt werden, aber diese Lösung unterdrückt nicht die Sekundärstrahlungslappen, die noch immer bedeutend bleiben.
2. Ausbildung einer progressiven Welle auf den Strahlungselementen:' mehrere Mittel wurden verwendet, um dieses Ergebnis zu erhalten.
- Eine Widerstandslast, welche die vom offenen Ende reflektierte Welle absorbiert, wird in Serie auf jedem Strahlungselement in einer Entfernung von ungefähr einer viertel Wellenlänge vom Ende von jedem Strahlungselement eingesetzt (vergleiche E.E. Altshuler in: "The travelingwave linear antenna", IRE transactions antennas and propagation, Band AP-9, Seiten 324 bis 329, Juli 1961).
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Man läßt die Leitfähigkeit eines Widerstandsmaterials, das auf den Strahlungselementen angebracht ist, in der Weise progressiv variieren, daß die Welle am Ende hinreichend geschwächt wird und dementsprechend die Reflexion schwach oder null ist ( LIANG - CHI SHEN - LEEE, transactions - Antennas and propagation - Band AP 15, Seiten 606 bis 611, September 1967).
Diese beiden Lösungen ergeben zwar eine Schwächung der Rückstrahlung, dies wirkt sich aber in einem deutlichen Verlust der Verstärkung der Antenne aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, nicht nur die Rückstrahlung zu schwächen, sondern praktisch zu unterdrücken, und zwar ohne Schaden für die Verstärkung der Antenne.
Diese Aufgabe wird mit der im Hauptanspruch beschriebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man nur zwei identische Elementarantennen mit geradlinigen Strahlungselementen, die longitudinal zueinander um ungefähr ein Viertel der Wellenlänge bei der Mittelfrequenz des Arbeitsbandes der Antenne zueinander versetzt sind.
Bei einer erfindungsgemäßen Antenne erhält man allgemein gute Ergebnisse, wenn der Wert der er-
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wähnten Widerstandslast größenordnungsmäßig 400 bis 800 Ohm beträgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung näher beschrieben; es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Antenne gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Strahlungsdiagramm in der Ebene der Strahlungselemente der Antenne gemäß Fig. 1;
Fig. 3 ein Strahlungsdiagramm derselben Antenne, jedoch senkrecht zur Ebene der Strahlungselemente ;
Fig. 4 ein Strahlungsdiagramm, analog dem von Fig. 2, jedoch an einer bekannten Antenne mit Strahlungselementen in V-Form gemessen;
Fig. 5 zwei weitere Ausführungsformen der Er-1111(1 6 findung;
Fig. 7 eine Antenne gemäß der Erfindung, die durch Photogravüre auf einer gedruckten Schaltkreiskarte realisiert ist.
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Die in Fig. 1 dargestellte Antenne umfaßt zwei Elementarantennen 2 und 4 in V-Form, die in derselben Ebene angeordnet sind.
Die zwei Elementarantennen sind longitudinal um eine Entfernung D versetzt. Der Fuß des Strahlungselements 6 der Antenne 2 ist mit dem Fuß des entsprechenden Strahlungselöments 8 der Antenne 4 durch ein Verbindungsstück 10 verbunden, auf dem ein Ausgang A der Antenne angebracht ist.
In gleicher Weise sind die entsprechenden Strahlungselemente 6' und 8' an ihrem Fuß durch ein symetrisches Verbindungsstück 12, welches den zweiten Ausgang B trägt, verbunden. Der Generator oder der Empfänger 14, der mit der Antenne zusammenarbeitet, ist mit den Klemmen A und B verbunden.
Gemäß der Erfindung sind die entsprechenden Strahlungselemente 6, 8 der beiden Antennen 2 und 4 untereinander durch eine Widerstandslast 16 verbunden; die zwei anderen entsprechenden Strahlungselemente 6', 8' sind untereinander durch eine identische Widerstandslast _16' verbunden. Wie in der Figur gezeigt, geschieht die Verbindung der Widerstände 16, 16' auf den Strahlungselementen in der Zone der offenen Enden der Strahlungselemente, vorzugsweise in einer Entfernung von diesem offenen Ende zwischen ungefähr 0,2 und 0,4 mal der Länge des Strahlungselementes.
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Die Widerstandslasten 16-16' absorbieren die von den Enden der Strahlungselemente reflektierten Wellen und modifizieren andererseits die Verteilung der Ströme auf den Strahlungselementen. Man erreicht also auf der longitudinalen Anordnung der beiden Antennen in V-Form eine progressive Stromverteilung und Wellenausbildung.
Zur Bildung der longitudinalen Anordnung sind die beiden Antennen 2 und 4 durch eine Entfernung D getrennt, die ungefähr einer 1/4 Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz entspricht. Dies wiederum entspricht ungefähr 0,30 bis 0,45 mal der Länge eines Strahlungselements, das seinerseits eine Länge zwischen 0,65 und 0,80 mal der Wellenlänge, vorzugsweise zwischen 0,7 und 0,75 mal der Wellenlänge besitzt.
Eine Antenne, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann aus Stangen oder Röhren, die zur Bildung der dargestellten Anordnung zusammengesetzt sind, verwirklicht werden.
Als*Beispiel sollen hier vorteilhafte Dimensionen für eine Antenne angegeben werden, die bei der Frequenz f und der Wellenlänge λ arbeitet:
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pd Scheitelwinkel des »V» L Länge von jedem Strahlungselement 0,75 Λ0 D Trennung zwischen beiden Antennen 0,27 λο d Durchmesser von jedem Strahlungselement 0,013 λ e Trennung der Symmetrielinien der
Verbindungsstücke 10,12 . 0,067A0 1 Entfernung der Widerstandsverbindungen von den Enden 0,18 Λ R - Wert der Widerstände
Der Wert der Verbindungswiderstände 16, 161 ist nicht kritisch. Er kann einige Hundert Ohm betragen, beispielsweise zwischen 400 und 800 Ohm. In gleicher Weise muß die symmetrische Verbindungsleitung 10,12 zwischen den zwei Antennen nicht eine sehr genaue, charakteristische Impedanz besitzen; ein Wert der Größenordnung 200 bis 300 Ohm ist vorteilhaft.
Wenn die Anordnung an den Punkten A und B (Fig. 1) eingespeist wird, wird das Maximum der Strahlung in Richtung der Winkelhalbierenden 18 des Scheitelwinkels des V gerichtet.
Die Strahlungsdiagramme dieser Antenne sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Diejenige der Fig. ist in einer Ebene, welche die Strahlungselemente enthält; diejenige der Fig." 3 ist in einer Ebene senkrecht zu diesen.
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Die Diagramme bleiben in einem Frequenzband bis über +7,5 % der Mittelfrequenz erhalten.
Die Impedanz der Antenne ist in diesemselben Bereich konstant.
Die Verstärkung der Antenne beträgt ungefähr + 10 dB bei der höchsten Frequenz des Bandes.
Zu Vergleichszwecken ist in Fig. 4 das Strahlungsdiagramm in der Ebene der Strahlungselemente einer bekannten Antenne mit zwei Strahlungselementen in V-Form, einer sogenannten Antenne "mit Widerstandsstrahlungselementen" dargestellt. Die Strahlungselemente dieser Antenne haben eine Länge gleich
auf
einer Wellenlänge,Vwelcher man die Leitfähigkeit eines Widerstandsmaterials, das auf die Strahlungselemente aufgebracht ist, progressiv variieren läßt. Eine bekannte Antenne dieses Typs wurde in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung zitiert.
Der Vergleich der Strahlungsdiagramme der Antenne in V-Form mit Widerstandsstrahlungselementen von Fig. 4 und der Fig. 2 zeigt, daß die als Beispiel vorgelegte Antenne eine Verbesserung der Richtwirkung trotz kürzerer Strahlungselemente mit sich bringt: 0,75 λο anstelle von 1 Λ 0· Insbesondere ist das Strahlungsbündel bei halber Leistung schmäler, die Nullstellen sind deutlich stärker ausgebildet, die Sekundärlappen liegen
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mindestens unter 10 dB und die Rückstrahlung existiert praktisch nicht.
Diese Verbesserungen bleiben für verschiedene Längen der Strahlungselemente erhalten. Es genügt also, den Scheitelwinkel des 11V" anzupassen, um das Maximum der Strahlung von jedem Strahlungselement zusammenfallen zu lassen.
Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Variante kann man zwischen den zwei Elementarantennen 2, 4 eine dritte Elementarantenne 20 in V-Form anordnen, die in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist. In diesem Fall ist die Trennung D zwischen den zwei Antennen 2 und 4 weiterhin größenordnungsmäßig 1/4 der Wellenlänge (beispielsweise 0,27 Λo» wie in dem weiter oben zitierten Beispiel), während die Trennung zwischen der Antenne 2 und der Hilfsantenne 20 ungefähr 1/16 der Wellenlänge betragen kann. Die Verbindungen mit der Widerstandslast 16 bzw. 16 * erfolgen an jedem der drei Strahlungselemente der Antennen 2, 4, 20, wie in der Figur angedeutet; die Entfernung zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstandslast und dem Ende des entsprechenden Strahlungselements beträgt größenordnungsmäßig 0,15 bis 0,25 mal die Wellenlänge, wie im Falle mit nur zwei Antennen.
Im wesentlichen identische" Resultate lassen sich erhalten, wenn man zwei Antennen in V-Form mit anderen Längen und Winkeln anordnet. Die Pia-
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zierungspunkte der Anschlüsse 22, 24, 22», 24' (Fig. 1) der Widerstandsverbindungen ist durch die oben angegebenen Grenzen bestimmt.
Eine große Anzahl von Antennen in V-Form, beispielsweise 4 Antennen 30, 32, 34, 36, können in derselben Weise wie für zwei Antennen mit Widerstandsverbindungen 16, 38, 40, 16', 38', 40' angeordnet werden (Fig. 6). Daraus ergeben sich noch schmälere Strahlungsdiagramme bei halber Leistung.
Die Antennen in V-Form bestehen nicht notwendigerweise aus geradlinigen Strahlungselementen. Es können nennenswerte Richtungsänderungen entlang der Strahlungselemente eingefügt sein.
Für niedrige Frequenzen der Größenordnung von einigen Hundert Megahertz kann die Antenne aus einer Anordnung voller oder hohler Stangen bestehen, wie es anläßlich der Fig. 1 angedeutet wurde. Bei höheren Frequenzen (1000 MHz und darüber) kann die Antenne durch Ziehen einer Metallplatte verwirklicht werden.
Bei höheren Frequenzen ist es von besonderem Interesse, eine solche Antenne durch Photogravüre auf einem isolierenden Substrat, das mit einer Metallfolie plattiert ist, zu verwirklichen. Dieses Verfahren wird häufig zur gedruckten Schaltung in radioelektrischen Anordnungen verwendet.
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Ein Beispiel dieser letztgenannten Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt. Die Antenne und der Symmetrisierer sind auf demselben Schaltkreis ausgebildet; die Speisung der Antenne kann also durch ein Koaxialkabel oder eine asymmetrische Speiseleitung erfolgen.
Die Dimensionen einer solchen Antenne, die bei einer Wellenlänge \ arbeitet, können beispielsweise folgende sein:
OC Scheitelwinkel des V
L Länge von jedem Strahlungselement 0,69A0
D Trennung zwischen den beiden
Antennen 0,28 >
g Breite eines Strahlungselements 0,05 A0
1 Entfernung der Widerstandsverbindung von den freien Enden der Strahlungselemente 0,18 Λ
Eine für Frequenzen um "2500 MHz vorgesehene Antenne kann also durch Photogravüre auf einer gedruckten Schaltkreiskarte von ungefähr 160 mm χ 14O mm erhalten werden.
Vorzugsweise läßt man auf der Karte einen leitenden Rand 26 in hinreichendem Abstand von den Strahlungselementen 6, 6' stehen, so daß die Strahlung der Antenne nicht beeinflußt wird und die direkte Montage mindestens bestimmter Elemen-
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te (nicht gezeigt) des Senders und/oder des Empfängers, der der Antenne zugeordnet ist, entsprechend der Technik der gedruckten Schaltkreise möglich ist, wobei bestimmte Schaltkreise selbstverständlich auf der Rückseite der Karte aufgedruckt sein können, welche die Antenne trägt.
Die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten:
Sie kann vorteilhaft zum Empfang von Fernsehstrahlungen verwendet werden, wobei sie Antennen des YAGI-Typs ersetzt, deren Wirkungsgrad über einige Elemente hinaus gering ist.
Andererseits kann sie, da ihre Impedanz sich wenig mit der Frequenz verändert, bei sehr viel tieferen Frequenzen verwendet werden, als denen, für welche sie gedacht ist, auch wenn eine Richtstrahlung für diese tiefen Frequenzen nicht erforderlich ist. Insbesondere können die als Beispiel in den Fig. 1 und 5 dargestellten Antennen in ländlichen Gebieten zum gleichzeitigen Empfang des Fernsehens im Band III (VHF) und im Band IV (UHF) verwendet werden, wobei die erwähnten Abmessungen an die Mittelfrequenz des Bandes IV angepaßt sind.
Das in einer Ebene schmale, in der anderen Ebene breite Strahlungsdiagramm und die wichtige Ver-
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Stärkung der Antenne sind gleichermaßen Charakteristiken, welche die Antenne besonders zur Anwendung in Eindring-Detektoren geeignet macht, die bei Hyperfrequenzen arbeiten.
In der Tat besitzt eine solche, einfach herzustellende Antenne ein Strahlungsdiagramm, das zu dieser Art Vorrichtung paßt. Sie kann in der horizontalen Ebene eine große Fläche erfassen, wobei sie in der vertikalen Ebene ein hinreichend schmales Strahlenbündel besitzt. Das schmale Strahlenbündel in der vertikalen Ebene vermeidet Fehlalarme, wenn die Vorrichtung in einem alten Gebäude mit mehreren Etagen, deren Decken und Böden, im allgemeinen aus Holz, für elektromagnetische Strahlung teilweise durchlässig sind, verwendet wird.
Die vorliegende Antenne kann darüber hinaus als Basiselement für die Ausbildung von ebenen oder longitudinalen Antennennetzen verwendet werden.
- 16 Ansprüche
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Claims (13)

6675/01/UO/Fr - 16 - 7. Mai 1974 Ansprüche
1. Radioelektrische Richtantenne mit mindestens zwei Elementar-Dipolantennen, die im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet und longitudinal zueinander versetzt sind und jeweils zwei in Form eines "V" angeordneten Strahlungselemente besitzen,
wobei der dem offenen Ende von jedem Strahlungselement einer Elementarantenne gegenüberliegende Fuß durch eine Leitung mit dem Fuß des entsprechenden Strahlungselements der benachbarten Elementarantenne und mit einem Ausgang der Antenne verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die entsprechenden Strahlungselemente von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Elementarantennen untereinander im Gebiet ihrer offenen Enden durch eine Widerstandslast miteinander verbunden sind.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η zeichnet, daß die Strahlungselemente geradlinig sind.
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3. Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß die Scheitelwinkel der "V" der Elementarantennen identisch sind.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß die Längen der Strahlungselemente der Eleraentarantennen identisch sind.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß die Widerstandslast, die zwischen zwei entsprechenden Strahlungselementen der zwei benachbarten Elementarantennen angeordnet ist, auf jedem Strahlungselemente in einer Entfernung von zwischen ungefähr 0,2 und 0,4 mal der Länge des Strahlungselementes vom offenen Ende des Strahlungselementes angebracht und verbunden ist.
6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge von jedem Strahlungselement zwischen ungefähr 0,65 und 1 mal die Wellenlänge bei der Mittelfrequenz des Arbeitsbandes der Antenne ist und daß der Anschlüßpunkt der Widerstandslast in einer Entfernung, bezogen auf das
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offene Ende des entsprechenden Strahlungselements von ungefähr zwischen 0,15 und 0,25 mal der Wellenlänge ist.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die longitudinale Versetzung zwischen den zwei Elementarantennen zwischen 0,30 und 0,45 mal die Länge eines Strahlungselements beträgt.
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Widerstandslast einen Wert von einigen Hundert 0hm hat.
9» Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel des "V", das von den beiden Strahlungselementen einer Elementarantenne gebildet wird, ungefähr 90° beträgt.
10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente von Stangen oder Rohren gebildet sind.
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11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 his 9, • dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Schneiden-Ziehen einer Metallplatte hergestellt ist.
12. Antenne nach einem der Ansprüche 1 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß sie durch Photogravüre auf einem mit einer metallischen Folie plattierton, isolierenden Substrat hergestellt ist.
13. Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß sie in der Nähe der Basis der Antenne ein leitendes Gebiet trägt, das von einem stehengelassenen Teil der genannten Metallfolie gebildet wird und zur Aufnahme von Komponenten des der Antenne zugeordneten Apparats bestimmt ist.
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JtO .
Le e rs e ι te
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