DE2427505C2 - Reflektorantenne mit parallelen Reflektorstäben - Google Patents

Description

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Die Erfindung geht aus von einer Reflektorantenne mit einem aus parallelen Reflektorstäben gebildeten Reflektor, an dem linear in Richtung der Reflektorstäbe polarisierte Primärstrahler befestigt sind, und mit einem den Reflektor und die Primärstrahler tragenden Gestell.

Eine derartige Reflektorantenne zeigt die US-PS 58 727. Bei dieser Reflektorantenne ist der Reflektor zur Verminderung der an ihm angreifenden Windkräfte von einer Vielzahl parallel nebeneinander verlaufender Reflektorstäbe gebildet, die sich durchgehend über die gesamte Reflektorbreite erstrecken. Der so ausgebildete Reflektor läßt allerdings noch eine beachtliche Menge der von den Primärstrahlern abgestrahlten Energie μ nach rückwärts durch, die somit bei der Strahlungsleistung in Hauptstrahlungsrichtung fehlt. Beim Betrieb als Empfangsantenne hingegen bedeutet die Durchlässigkeit des Reflektors eine größere Empfindlichkeit der Reflektorantenne gegenüber Sendern, die sich hinter S5 der Reflektorantenne befinden.

Die Durchlässigkeit des Reflektors läßt sich bei dieser Antenne nur durch eine Verringerung des Abstandes der Reflektorstäbe voneinander verbessern. Gleichzeitig würde hierdurch aber der Luftwiderstandsbeiwert der Anordnung ungünstig beeinflußt werden mit der Folge, daß das Tragwerk der Antenne größere Windkräfte aufnehmen müßte.

Reflektorwände mit elektrisch günstigeren Werten ergeben sich durch die Verwendung von Reflektorstrahlern, die auf die Betriebswellenlänge der Antenne abgestimmt sind, wie dies beispielsweise R. C Hansen in der Veröffentlichung »Microwave Scanning Antennas«, Volumeil, Academic Press, New York, 1966, Seite 363-367 bzw.die US-PS 18 34 394 zeigt

Bei der US-PS 18 34 394 befindet sich eine aus mehreren Dipclen als Primärstrahlern und aus einer aus Reflektorstrahlern gebildeten Reflektorwand bestehende Reflektorantenne horizontal über dem Boden, während darüber als Umlenkspiegel für die sonst vertikal nach oben strahlende Antenne eine aus abgestimmten Reflektorstrahlern bestehende Reflektorwand angeordnet ist

Die in »Microwave Scanning Antenna"« geoffenbarte Reflektor-Antenne verwendet einen einzigen Primärstrahler.

Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, eine Reflektorantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der die Rückwärtsstrahlung bei gleicher oder kleinerer Windangriffsfläche besser unterdrückt wird.

Zur Lösung dieser Aufgabe ist die Reflektorantenne erfindungsgemäß durch die kennzeichnenden Merkmale des Hauptanspruch'» gekennzeichnet

Eine baulich vorteilhafte Weiterbildung sieht vor, daß für die Zuführung der Wellenenergie zu dem Primärstrahlern die Speiseleitungen in den Reflektorstäben verlaufen.

In der Zeichnung ist ein Ausführungsbeispiel des Gegenstandes der Erfindung dargestellt Es zeigt

F i g. 1 eine Reflektorantenne gemäß der Erfindung,

Fig.2 ein Ausführungsbeispiel für die Befestigung eines Primärstrahlers an einem Reflektor tab,

F i g. 3a, 3b, 3c jeweils eine koiineare Gruppe von Reflektorstrahlern, und

F i g. 4 eine Draufsicht auf die Reflektorantenne nach F i g. 1 mit einer schematischen Darstellung des Strahlungsdiagrammes.

Das Antennensystem nach F i g. 1 zeigt eine Vielzahl von Primärstrahlern in Gestalt von Dipolen 10, die als Antennenelemente zur Ausstrahlung der Wellenenergie dienen. Die Dipole 10 ^cind an Reflektorstäben 11 befestigt, die ein ebenes Gitter bilden. Zwischen den Reflektorstäben 11 befinden sich in einer Linie parallelverlaufende Gruppen 12 von Reflektorstrahlern 13. Die parallelen Gruppen 12 und die Reflektorstäbe 11 werden von einem Traggestell 14 gehalten.

Die Reflektorstäbe 11, die zueinander parallelen Gruppen 12 und das Traggestell 14 bilden einen eben ausgebildeten Reflektor. Alle Dipole 10 sind an den Reflektorstäben 11 montiert, und zwar auf der gleichen Seite des Reflektors. Der Reflektor besitzt eine Größe und Form, die der Größe und der Form herkömmlicher Ganzmetallreflektoren für eine ebene Anordnung von Dipolelementen entspricht Die örtliche Verteilung und die Zahl der Dipole 10 entspricht den bekannten Grundregeln, die jedem Antennenfachmann geläufig sind, wobei insbesondere die Amplitude und die Phase der den einzelnen Dipolen 10 zugeführten Wellenenergie eine Rolle spielt. Die Dipole 10 bei der in F i g. 1 gezeigten Antenne sind so ausgerichtet, daß die Polarisation der Elemente parallel zu den Reflektorstäben 11 verläuft.

Andere linear polarisierte Elemente als Dipole können bei einem Antennensystem gemäß der Erfindung ebenfalls eingesetzt werden, soweit sie eine Polarisation parallel zu den Reflektorstäben 11 besitzen. Ein Beispiel für ein anderes Element ist ein Faltdipol.

F i g. 2 zeigt eine Technik zur Anbringung eines typischen Dipolelementes 10 an einem Reflektorstab 11. Bei dieser Ausbildung ist der Reflektorstab 11 hohl, so daß die Speiseleitung 15, die der Energiezufuhr zu dem Dipol 10 dient, im Irreren des Reflektorstabes 11 verläuft Dadurch hat die Speiseleitung 15 selbst keinen Einfluß auf die Strahlungseigenschaften der Reflektorantenne. Für den Fachmann ist es selbstverständlich, daß die Speiseleitung 15 auch außerhalb des Reflektorstabes 11 angebracht sein kann und im wesentlichen ohne Einfluß auf die Strahlungseigenschaft der Antenne bleibt, solange die Speiseleitung in unmittelbarer Nähe verläuft und an dem Reflektorstab geerdet ist

F i g. 3 zeigt einen Teil einer der parallelen Gruppen 12 mit den Reflektorstrahlern 13. Bei dieser Ausführung werden die parallelen Gruppen jeweils von einem nichtieiienüen Röhr IG aus isoliermaterial getragen. Auf der Außenseite des Rohres 16 sind Reflektorstrahle.- 13 angebracht, die aus länglichen, leitenden Zylindern bestehen. Die Länge, der Durchmesser und der Abstand der Reflektorstrahler 13 sind so gewählt, daß die Reflektor-Strahler 13 darauf abgestimmt sind, eine durch das Gitter aus Reflektorstäben 11 (Fig. 1) hindurchtretende Strahlung zu unterdrücken. Die Reflektorstrahler 13 müssen nicht zylindrisch ausgebildet sein, sondern können auch den speziellen Anforderungen einer bestimmten Ausführung angepaßt sein. Bei einigen Anwendungsfällen können die Reflektorstrahler 13 längliche Streifen eines leitenden Materials sein, die auf eine nicht leitende, flache Oberfläche aufgebracht sind.

Die Abstimmung der Reflektorstrahler ist der bestimmende Gesichtspunkt der vorliegenden Erfindung. Es ist allgemein bekannt, daß ein länglicher Leiter, dessen effektive Länge gleich der halben Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist, in Eigenresonanz gerät, d. h. die Strörne in einem ^eiter mit halber Wellenlänge sind bei Anwesenheit eines elektromagnetischen Feldes wesentlich größer als bei einem durchgehenden Leiter. Bei einem Reflektorstrahler mit halber Wellenlänge wird die vorhandene Induktivität durch die Eigenkapazität kompensiert, was zur Resonanz führt, bei der der Reflektorstrahifciein Impedanzminimum hat. Wenn man den Reflektorstrahler in ein elektromagnetisches Feld der seiner Eigenfrequenz entsprechenden Wellenlänge bringt, dann führt er ein Strommaximum. Dieser Strom verursacht eine Sekundärsvrahlung, die in bestimmten Richtungen zur Interferenz mit dem originären elektromagnetischer* Feld führt. Wegen des bei einem resonanzabgestimmten, Reflektorstrahlers vorhandenen größeren Stromes, ist die Interferenz mit der originären Wellenenergie größer als bei nicht resonanzabgestimmten Elementen. Folglich ist das Maß der Interferenz bei einem reflektierenden Element mit der originären Wellenenergie einstellbar durch Abstimmung oder Verstimmung des reflektierenden Elementes, d. h. durch die Einstellung seiner Länge. Der Betrag der Sekundärstrahlung eines Reflcktorstrahlers ändert sich langsam mit der Frequenz, damit ist der Interferenzeffekt über ein begrenztes Frequenzband vorhanden. Die parallele, geradlinige Anordnung von Reflektorstrahlern 13 gemäß F i g. 3a besteht aus leitenden Elementen 13, die kürzer ah eine halbe Wellenlänge sind. Die Rcflektorstrahlcr können auch auf Resona« abgestimmt werden, und zwar durch entsprechende Einstellung der Abstände zwischen benachbarten Reflektorstrahlern der parallelen, geradlinigen Anordnung. Die Abstände haben eine Kapazität zur Folge, die zum Abgleich mit der Induktivität der gekürzten Reflektorstrahler 13 änderbar ist Die Stärke der Sekundärstrahlung von der parallelen Anordnung in Fig.3a kann in ähnlicher Weise eingestellt werden, wie die Sekundärstrahlung von Reflektorstrahlern, die wegen ihrer der halben Wellenlänge entsprechenden Länge im Resonanzzustand sind. Die in F i g. 3a gezeigte lineare Gruppe hat günstigere Eigenschaften als eine kolineare Gruppe mit Reflektorstrahlern von halber Wellenlänge, da sie eine größere Resonanzbandbreite besitzL Die Bandbreite kann man auch dadurch vergrößern, daß man den Durchmesser der Reflektorstrahler vergrößert, aber dies hat den Nachteil einer Vergrößerung des Windwiderstandes.

Alternativlösungen zu der Anordnung gemäß F i g. 3a sind in Fig.3b und 3c gezeigt In Fig.3b besteht die zum Abgleich der Induktivität der Reflektorstrahler 13 erforderliche Kapazität aus den fester Kondensatoren •7. Die Anordnung nach F i g. 3c ist in der Ausgestaltung ähnlich derjenigen in F i g. 3a, aber es ist zusätzlich eine Schutzhülle 18 aus dielektrischem Material vorhanden, die verhindert, daß die Abstimmung der Gruppe durch Verwitterung oder Ablagerungen verschlechtert, wird.

Die Arbeitsweise der in F i g. 1 gezeigten Reflektorantenne kann leicht erklärt werden, wenn man sich zuvor die Eigenschaften der parallelen Gruppen 12 vergegenwärtigt Beim Fehlen der parallelen Gruppen 12 würde die linear polarisierte Wellenenergie, die durch die Dipole 10 abgestrahlt wird, durch das Gitter, bestehend aus den Reflektorstäben 11, teilweise reflektiert und teilweise hindurchgelassen.

Die parallelen Gruppen 12 sind so ausgelegt, daß die Sekundärstrahjung von den Reflektorstrahlern 13 der parallelen Gruppen 12 in der Amplitude gleich der Wellenenergie ist, die durch das Gitter aus den Reflektorstäben 11 geht Die örtliche Lage der parallelen Gruppen 12 ist so eingestellt, daß die Phasenlage der Sekundärstrahlung von den Reflektorstrahlern 13 genau entgegengesetzt der Phasenlage der Wellenenergie ist, die durch das Gitter aus den Reflektorstäben 11 geht. In den meisten Fällen werden die parallelen Gruppen 12 annähemd in der gleichen Ebene wie die Reflektorstäbe 11 liegen. Die Sekundärstrahlung von den parallelen Gruppen 12 interferiert mit der Wellenenergie, die durch das Gitter aus den Reflektorstäben 11 geht und bewirkt damit einen wesentlichen Rückgang der Verluste der Wellenenergiesignale durch den Reflektor. Die parallelen Gruppen 12 können in Amplitude und Phase so eingestellt werden, daß der Wellenenergieverlust in eine bestimmte Richtung völlig verhindert wird oder so, daß die Verluste in einem bestimmten Winkelbereich wesentlich verringert werden.

Es ist meist wünschenswert, daß die Dipole 10 gemäß F i g. 1 ein einziges Strahlenbündel abstrahlen. Da bei einer Ausführung gemäß F i g. 1 die Abstände der Dipole 10 gleich denjenigen der Reflektorstäbe sind, wählt man die Abstände üblicherweise so, daß sie kleiner als eine Wellenlänge der Betriebsfrequenz sind und vermeidet dadurch das Auftreten von unerwünschten Strahlenbündeln, den sogenannten »Gitter-Keulen«.

Bei einem Abstand unter einer Wellenlänge läßt sich

b5 eine im wesentlichen volle Verhinderung von Verlustoder Streustrahlung durch die Anordnung einer eirzigen linearen Gruppe mit Reflektorstrahlern in jedem Zwischenraum von benachbarten Reflektorstäben des

Gitters errreichen. In diesem Fall entfalten die Reflektorstrahler ihre größte Wirksamkeit, wenn sie zu dem nächstliegenden Paar Reflektorstäben den gleichen Abstand haben.

Ein Reflektor der in Fi g. 1 gezeigten Ausführung ist besonders dann vorteilhaft, wenn bei der Antenne die Dipole in einer Ebene angeordnet sind. Wie in Fig.4 gezeigt ist, hat die Gruppe von Dipolen 10 bei Zufuhr von gleichphasiger Wellenenergie eine Hauptkeule 22, die senkrecht zu der Gitterebene 21 der Reflektorstäbe 11 verläuft. Verluste der Wellenenergie durch das Gitter 21 aus den Reflektorstäben It hindurch haben ohne die Anwendung der vorliegenden Erfindung auch einen Antennenstrahl 19 zur Folge, eine sogenannte Rückwärtskeule, die in die entgegengesetzte Richtung wie die Hauptkeule 22 zeigt. Die Wellenenergie, die durch das Gitter 21 hindurchgeht, ist im wesentlichen zu einem Strahl 19 gebündelt, der eine gegenüber dem erwünschten Strahl 22 beachtliche Größe erreicht.

Wenn die parallelen Anordnungen aus Reflektorstäben 11 in der gezeigten Weise durch die Gitteranordnung 21 aus Reflektorstrahlern 13 durchsetzt sind, dann hat dies eine beträchtliche Verminderung der Verluststrahlung durch das Gitter 21 hindurch zur Folge. Die unerwünschte Rückwärtskeule 19 wird in ihrer Größe beträchtlich verringert und erreicht eine Größe wie sie durch die Keule 20 angedeutet ist, was ein annehmbares Größenverhältnis zwischen Hauptkeule 22 und Rückwärtskeule 19 ergibt.

Die Anwendung von parallelen, in gleicher Linie befindlichen Reflektorstrahlern gemäß der Erfindung ist hinsichtlich der Unterdrückung der Rückwärtsstrahlung erheblich wirksamer als die bloße Anwendung von Reflektorstäben. Versuche haben ergeben, daß die Rückwärtsstrahlung bei einer Antennenanordnung, die nur Reflektorstäbe anstatt der Anwendung linearer Gruppen von Reflektorstrahlern besaß, nur eine 13 dB kleinere Amplitude als die VorwärtsstrahJung 22 hatte.

Bei der gleichzeitigen Verwendung von Reflektorstäben und Reflektorstrahlern ist die Strahlung der Rück- +0 wärtskeule um 35 dB gegenüber der Hauptstrahlung abgesenkt

Bei diesem Versuch bestand die Grundebene aus Reflektorstäben mit einem Durchmesser von 0,2 Wellenlängen, die bezüglich der Betriebsfrequenz einen gegenseitigen Abstand von 0,88 Wellenlängen hatten. Die Reflektorstrahler bestanden aus leitenden Zylindern, deren Durchmesser 0,05 Wellenlängen und deren Länge 0,26 Wellenlängen betrug. Die Reflektorstrahler wurden durch Einstellung des zwischen zwei benachbarten Elementen liegenden Zwischenraumes abgestimmt, wobei der Zwischenraum etwa 0,01 Wellenlängen betrug.

Weiterhin wurde ein einziges, linear polarisiertes Antennenelement benutzt, das 0,20 Wellenlängen von einem der Reflektorstäbe entfernt befestigt war.

Vorzugsweise verwendet man eine Anordnung gemäß der Erfindung für ebene Anordnungen von Dipolen wie in F i g. 1 gezeigt Es ist für den Fachmann selbstverständlich, daß die Erfindung auch zur Bildung eines Reflektors bei anderen Reflektorantennen geeignet ist Eine solche andere Anordnung könnte z. B. aus einem in offener Bauweise erstellten fokussierenden Reflektor und einem linear polarisierten Antennenelement zur Anstrahlung des Reflektors bestehen. Es ist auch eine nicht ebene Anordnung von Dipolen, denen eine nicht ebene, reflektierende Fläche zugeordnet ist, denkbar, bei der letztere gemäß der Erfindung ausgebildet ist
Bei diesen abweichenden Anordnungen besteht zwar nicht wie bei der ebenen Anordnung, die kritische Forderung nach möglichsi wenig Rückwärtsstrahlung, die eine fokussierte Rückwärtskeule bildet, sondern man hat den Vorteil des höheren Antennengewinns gegenüberoffenen Reflektoren, die lediglich aus Reflektorstäben bestehen.

Es ist schließlich noch darauf hingewiesen, daß die Erfindung grundsätzlich sowohl für Sende- als auch für Empfangsantennen anwendbar ist.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Reflektorantenne mit einem aus parallelen Reflektorstäben gebildeten Reflektor, an dem linear in Richtung der Reflektorstäbe polarisierte Primärstrahler befestigt sind, und mit einem den Reflektor und die Primärstrahler tragenden Gestell, dadurch gekennzeichnet, daß jeweils zwischen zwei weniger als die Betriebswellenlänge voneinander entfernten Reflektorstäben (11) eine kolineare, zu den Reflektorstäben (11) parallele Gruppe (12) von Reflektorstrahlern (13) angeordnet ist, deren Länge, Durchmesser und axialer Abstand zu dein jeweils innerhalb der kolinearen Gruppe benachbarten Reflektorstrahler (13) sowie deren Abstand zur Fläche aus den Reflektorstäben (11) so gewählt ist, daß die durch den Reflektor hindurchtretende Strahlung im wesentlichen kompensiert ist.

2. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dab die Speiseleitung (15) der Primärstrahler (10) in den Reflektorstäben (11) verlaufen.

3. Reflektorantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor ein ebenes Gitter ist

4. Reflektorantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die koiineare Gruppe (12) der Reflektorstrahler (13) in der Mitte zwischen den Reflektorstäben (11) liegt

5. Reflektorantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, Jadurch gekennzeichnet, daß die effektive Länge jedes Repektorsfnhlers (13) gleich der halben Wellenlänge ών Betriebsfrequenz der Antenne ist.

6. Reflektorantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die effektive Länge der Reflektorstrahler (13) kurzer als die halbe Wellenlänge der Betriebsfrequenz ist.

7. Reflektorantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorstrahler (13) jeder kolinearen Gruppe (12) auf einem zugehörigen Stab aus Isolationsmaterial angebracht sind.