DE2636033A1 - Antennenanordnung - Google Patents

Description

FOroniCDXWuUo Dr.-Ing. Wilhelm Beichel Dipl.-Ing. Wolfgang Reichel

6 Frankfuil a. M. 1

ParksbaßelS 8516

C & S ANTENNAS LIMITED, Rochester, Kent ME2 2AX, England

Antennenanordnung

Die Erfindung betrifft Antennen und bezieht sich insbesondere auf Antennenanordnungen im Bereich der Hochfrequenz.

Bekannt sind logarithmische Antennenanordnungen verschiedener Art, z.B. solche, bei denen mehrere,im gegenseitigen Abstand entlang einer geraden Linie, Zeile oder Reihe vorgesehene
Antennenelemente so angeordnet sind, daß die Abstände zwischen benachbarten Elementen entlang der Reihe nach einem logarithmischen Gesetz zunehmen. Typisch für derartige Antennenelemente sind Dipole.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung anzugeben, die sich durch eine kompakte Ausführung mit verbesserten Betriebseigenschaften auszeichnet.

Gemäß der Erfindung ist die Antennenanordnung dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente als aktive Breitbandelemente mit im wesentlichen gleichen Impedanzen ausgebildet sind, und daß je ein Filter mit jedem Antennenelement verbunden ist, daß die Filter fortschreitend entlang der Reihe

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solche Kennlinien haben, daß sie dort, wo die Antennenelemente dicht beieinander stehen, höhere Frequenzen durchlassen und dort, wo sie große Abstände haben, niedrigere Frequenzen durchlassen.

Während die Antennenelemente z.B. als einfache Peitschenantennen ausgeführt sein können, werden vorzugsweise Antennenelemente in Form von Schleifen, Ringen oder Rahmen benutzt, die an einer Stelle des Ringes einen Anschlußpunkt haben, wobei die Impedanz entlang des Ringes relativ zu dem übrigen Teil des Ringes in einem gegenüber dem Anschluß liegenden Teil einen erhöhten Wert aufweist.

Die Filter werden vorzugsweise von einer einzigen Übertragungsleitung gespeist, die an der Anordnung entlang läuft, sie können jedoch auch in anderer Weise gespeist werden, z.B. durch einzelne Übertragungsleitungen, die radial von einer einzigen Signalquelle ausgehen.

Die Antennenanordnung ist im Prinzip in gleicher Weise für Sendung und Empfang anwendbar und es sei darauf hingewiesen, daß eine Bezugnahme entweder auf die Sendung oder auf den Empfang lediglich als Beispiel dient.

Die Erfindung wird nun anhand von Ausführungsbeispielen, die in der Zeichnung dargestellt sind, näher beschrieben.

Fig. 1 zeigt schematisch ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung, bei dem die Antennenelemente fortschreitend von dem einen Ende der Anordnung aus gespeist werden.

Fig. 2 zeigt eine Ringantenne, die eines der Antennenelemente bildet.

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Fig. 3 zeigt eine äquivalente Schaltung für die Ringantenne der Fig. 2.

Fig. 4 ist eine Seitenansicht einer Antenne nach Fig. 2.

Fig. 5 ist eine schaubildliche Ansicht einer praktischen Ausführung der Ringantenne.

Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform der Antennenanordnung.

Fig. 7 ist auf eine Draufsicht auf eine rosettenförmige Anordnung mit mehreren Anordnungen nach Fig. 1 und

Fig. 8 zeigt das Strahlungsdiagramm der Rosette in einer horizontalen Ebene.

Die in Fig. 1 dargestellte Antennenanordnung 10 enthält eine Anzahl,und zwar im vorliegenden Fall sieben einander gleiche Ringe oder Schleifen 12, die im folgenden stets als Ringe bezeichnet werden.

Der Strom, der in einem Ring fließt, kann als eine Fourierreihe von Sinus-und Kosinusausdrücken dargestellt werden. Der Ausdruck nullter Ordnung stellt einen Gleichstrom dar, der um den Ring herum fließt und dieser erzeugt ein Strahlungsdiagramm in Form eines Doppelkreises oder einer acht, das typisch für kleine Rahmen oder Ringe ist. Die ungeraden Ausdrücke oder Sinusausdrücke stellen Ströme dar, die in beiden Seiten des Ringes in der gleichen Richtung fließen und daher keine Ausgangsspannung an einer symmetrisch angeschlossenen Impedanz erzeugen. Bei einem kleinen Ring ist das azimuthale Strahlungsdiagramm dieses Stromes kreisförmig.

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Wenn dem Ring unsymmetrische Spannungen zugeführt werden, dann können gerade und ungerade Schwingungsmoderi auftreten und das Gesamtstrahlungsdiagramm des Ringes stellt die Summe der Einzelmoden dar. Bei einem einfachen Ring überwiegt der Modus nullter Ordnung. Es sei jedoch darauf hingewiesen, daß, wenn der Strom des Modus nullter Ordnung in seiner Amplitude gegenüber dem Strom des Modus erster Ordnung reduziert werden kann und die relative Phasenlage des Stromes in geeigneter Weise eingestellt wird, es möglich ist, ein Strahlungsdiagramm in Form einer Kardioide zu erhalten. Dieses Ergebnis kann dadurch erzielt werden, daß man eine Impedanz in Reihe in den Ring an einem Punkt einschaltet, der dem Speisungspunkt oder Anschlußpunkt diametral gegenüberliegt, wie es aus Fig. 2 ersichtlich ist.

Die Impedanz hat praktisch keine Wirkung auf den Strom des Modus ungerader Ordnung, da sie sich an einem Knotenpunkt des Stromes befindet, sie ist jedoch für den Strom des Modus nullter Ordnung und gerader Ordnung wirksam, da sie sich für diese Schwingungsmoden an einem Schwingungsbauch befindet. Die Impedanz ist so angeordnet, daß sie die Amplitude des Modus nullter Ordnung reduziert, so daß bei 180° Abweichung von der gewünschten Richtung die Moden nullter und erster Ordnung Schwingungen erzeugen, die etwa gleiche Stärke haben, aber um 180° phasenverschoben sind. In der Praxis wurde gefunden, daß die Impedanz überwiegend als ohmscher Widerstand ausgebildet werden sollte.

Ein auf diese Weise angeschlossenes Ringelement nach Fig. 2 kann so angeordnet werden, daß es ein etwa kardioidförmig verlaufendes Strahlungsdiagramm für vertikal polarisierte einfallende Strahlung aufweist und eine Eingangsimpedanz hat, die in einfacher Weise an 50 Ohm angepaßt werden kann, so daß übliche Verstärker und Filter angeschlossen werden können.

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Fig. 3 zeigt einen, dem Ringelement äquivalenten Stromkreis. Der äquivalente Stromkreis enthält zwei Zweige, nämlich einen Zweig nullter Ordnung mit einer Induktivität L, einem Widerstand RO und der Impedanz Z sowie einen Zweig erster Ordnung mit einem Kondensator C und einem Widerstand R1.

Fig. 4 und 5 zeigen eine praktische Ausführung der Hochfrequenzantenne nach Fig. 2. Der Ring wird aus zwei leitenden Streifen gebildet, die miteinander verbunden sind, so daß ein Ring von großer wirksamer Breite entsteht. Dies trägt dazu bei, die Reiheninduktivitäten L und die Nebenschlußkapazitäten C des Ringes zu vermindern. Der Ring ist oben geteilt und über einen Widerstand, der an zwei benachbarten Kopplungsstreifen angelötet ist, verbunden. Die Streifen können aus Aluminium bestehen und sind vorzugsweise in ein mit Glasfasern verstärktes Kunst-Stoffmaterial eingebettet, so daß ein leichter und starrer Aufbau entsteht. Um sicherzustellen, daß die empfangenen Signale auf einen Pegel angehoben werden, bei dem sie das innere Rauschen des Empfängers übersteigen und um die Ausgangsgröße des Ringes zu entkoppeln, ist ein störgeräuscharmer Verstärker an die Ausgangsklemmen des Ringes angeschlossen und befindet sich in einem Kasten am Fußpunkt des Ringes. Die Spei sung mit Gleichspannung für den Verstärker kann über das gleiche koaxiale Kabel erfolgen, welches die Signale von dem Ringelement zum Empfänger leitet, wobei an jedem Ende ein entsprechendes Filter angeordnet ist.

Abweichend von den meisten Antennen nimmt die effektive Höhe (oder Fläche) einer Ringantenne mit fallender Wellenlänge zu. Der Verstärker hat daher vorzugsweise einen Verstärkungsgrad, der mit der Frequenz abnimmt. Um Störungen durch MF-oder VHF-Signale zu vermeiden, ist es zweckmäßig, den Durchlaßbereich des Verstärkers durch Filter zu begrenzen. Der Verstärker ist

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so ausgebildet, daß eine möglichst kleine Kreuzmodulation auftritt.

Eine typische Größe für den Ring ist ein Durchmesser von 0,80 m und eine Breite von 0,30 m, woraus sich eine effektive Höhe von etwa 0,70 m ergibt. Antennen dieser Art wurden in einem weiten Frequenzbereich von 2 bis 30 MHz benutzt und es wurde festgestellt, daß zusätzliche Widerstände Z* im Bereich von 50 Ohm bis 150 Ohm wirksam sind. Normalerweise *wird der optimale Wert für den Widerstand empirisch gefunden, da er von einer großen Anzahl von Faktoren abhängt, zu denen die Geometrie des Ringes und insbesondere auch die Selbstinduktion des Ringes und die Endkapazität an dem Anschlußpunkt des Ringes gehören.

Es sei darauf hingewiesen, daß es möglich ist, die hinzugefügte Impedanz über einen Abschnitt des Ringes auf der dem Anschluß gegenüberliegenden Seite des Ringes zu verteilen und sie nicht punktförmig auszubilden. Wenn oben erwähnt wurde, daß die Impedanz vorzugsweise aus einem ohmschen Widerstand besteht, so braucht sie jedoch nicht selbst rein ohmisch zu sein.

Es sei ferner darauf hingewiesen, daß der Ring sowohl für Sendung als auch für Empfang benutzt werden kann und daß zwar in dem Beispiel ein kreisförmiger Ring beschrieben ist, daß jedoch auch andere Formen wie rechteckige oder quadratische Rahmen je nach den Umständen günstiger sein können.

Aus Fig. 1 geht hervor, daß jeder Ring 12 mit einem zugehörigen Breitbandverstärker 14 ausgestattet ist, der für den Fall des Empfanges mit seinem Eingang an den beiden Enden des Ringes angeschlossen ist und für den Fall der Sendung mit seinem Ausgang an den Enden des Ringes liegt, wie sich dies aus der Teilzeichnung A ergibt. Im Falle der Empfangsantenne wird

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die Ausgangsspannung des Verstärkers 14 über eine Zuführungsleitung 15 einem zugehörigen Bandpaßfilter 16 zugeführt, das im wesentlichen aus einem abgestimmten Reihenkreis besteht, dessen Ausgangsgröße einer koaxialen Übertragungsleitung 20 zugeführt wird, die an der Anordnung 10 entlangläuft. Das eine Ende 22 der Übertragungsleitung stellt den Ausgang der Antennenanordnung dar und das andere Ende 24 kann z.B. im Bedarfsfall durch einen Abschlußwiderstand 26 abgeschlossen sein.

Die Abstände X zwischen benachbarten Ringmitten weisen in ansich bekannter Weise eine logarithmische Beziehung auf, wie dies bei üblichen logarithmischen Dipolantennenanordnungen der Fall ist. Die Frequenzänderung zwischen den verschiedenen Elementen der Anordnung wird nicht durch die Elemente selbst herbeigeführt sondern durch die Kennlinien der Bandpaßfilter 16, die mit den Elementen zusammengebaut sind. Die Ringe selbst stellen Breitbandantennen dar. Die Filter 16 sind als Bandpaßfilter ausgebildet, deren mittlere Frequenzen eine logarithmische Beziehung haben. Das Hochfrequenzende der Anordnung befindet sich in Fig. 1 auf der linken Seite, wo die Ringe die kleinsten Abstände haben und das niederfrequente Ende befindet sich auf der rechten Seite, wo die Ringe einen größeren Abstand aufweisen. Die Endfilter 16_Η und 16_L können jeweils als Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter ausgebildet sein, wenn es gewünscht wird, den Betriebsbereich der Antennenanordnung etwas zu vergrößern.

Wenn man die Abstände der Elemente betrachtet, so ist bei einer üblichen logarithmischen Dipolanordnung der Winkel,der zwischen den Leitungen liegt, welche die Enden der Elemente (<X ) verbinden, ein spezieller Parameter der Anordnung. Wenn man den Wert ^c. und das Verhältnis T angibt, dann sind die Längen und Stellungen jedes einzelnen Elementes definiert.

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Der Verstärkungsgrad und die Strahlungsbreite der Antenne können als Funktionen von Gk und T' angegeben werden, so daß man eine optimale Kombination der Eigenschaften erreicht. Die Kennlinien für verschiedene Anordnungen sind in Handbüchern angegeben und werden daher hier nicht wiederholt. Im Fall einer logarithmischen Ringelementanordnung existiert jedoch kein Winkel C^ . Wenn man jedochCS₁ definiert als: q ₌ cot"¹ (-A^ ),

wobei f die Mittelfrequenz des Bandpaßfilters ist, das mit dem

ten
η· Ring verbunden ist und XL· sein Abstand von der Spitze ist, ergibt sich ein dem üblichen Fall analoger Parameter,obwohl dieser Parameter nunmehr eine mathematische Größe ist und kein physikalisch meßbarer Winkel.

Es sind noch eine Anzahl weiterer variabler Größen vorhanden, die beim Entwurf der Anordnung optimiert werden müssen, einschließlich der Mittelfrequenzen und der Q-Werte der Bandpaßfilter, ferner der Ausgangsimpedanzen der Verstärker und der charakteristischen Impedanz und des Übertragungsverhältnisses der Übertragungsleitung. Die geeigneten Werte für eine spezielle Hochfrequenzanwendung können durch Experiment gefunden werden.» Ein typischer Bereich der Q-Werte, der als geeignet befunden wurde, liegt in der Größenordnung von 4 bis 6. Einige dieser Parameter können auch in Abhängigkeit von den Abständen entlang der Anordnung verändert werden, um die Antennencharakteristik als Funktion der Frequenz einzustellen.

Die Möglichkeit, die Charakteristik durch Wahl dieser Parameter festzulegen,ist einer der Vorteile_:dieser Anordnung. Die charakteristischen Eigenschaften sind keinesfalls durch die Charakteristik der einzelnen Antennenelemente 12 festgelegt und diese selbst sind breitbandig. Während Ringantennen bevorzugt werden, können sie auch durch Peitschenantennen oder kurze Dipole ersetzt werden. Ebenso können, die Impedanzbe-

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Ziehungen in der geminschten Weise durch die Filter 16 eingestellt werden.

Wenn die Anordnung in Richtung auf die hohen Frequenzen weiter ausgedehnt wird, kann es vorkommen, daß die Ringe überlappen. In diesem Fall können sie vorzugsweise in zwei parallelen dicht nebeneinander liegenden Reihen gestaffelt angeordnet werden.

Wenn es mit Rücksicht auf die Parameter einer speziellen Anordnung notwendig ist, eine Phasenverschiebung von 180° zwischen abwechselnden Elementen einzuhalten, so kann dies durch Anordnung von Transformatoren mit dem Verhältnis 1:1 zwischen je zwei Elementen entlang der Zuführungsanordnung erreicht werden.

Die Anordnung ist in der Lage, einen Richtstrahl in jeder der beiden Richtungen entlang der Anordnung auszustrahlen, je nachdem, wie die Parameter gewählt werden. Da die Ringe selbst als Richtantennen wirken, ist es wichtig, daß sie in der Gesamtanordnung in der gleichen Richtung weisen. Infolge der Richtwirkung der einzelnen Ringe wird ein hohes Verhältnis von Rückseite zu Vorderseite im Vergleich mit üblichen logarithmischen Anordnungen erreicht.

Die Anordnung hat ferner eine Anzahl von weiteren Vorteilen. Insbesondere hat sie ein niedriges Profil, einen einfachen Aufbau, sie kann über einen weiten Frequenzbereich mit gleichbleibenden Eigenschaften betrieben werden und ist vom Boden aus zur Wartung leicht zugänglich. Der Entwurf der Anordnung wird dadurch vereinfacht, daß gegenseitige oder wechselseitige Impedanzen vernachlässigt werden können und die Verstärker haben einen konstanten Widerstand gegenüber dem Antennenelement über einen weiten Frequenzbereich.

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Fig. 6 zeigt eine andere Ausführungsform, in der entsprechende Teile mit den gleichen Bezugszeichen versehen, sind. Die Anordnung unterscheidet von derjenigen der Fig. 1 in der Art, wie die Ringe gespeist werden. In Fig. 6 sind die Filter 16 mit einem Empfänger 30 durch einzelne Übertragungsleitungen 32 verbunden. Außerdem sind die Filter verschieden und das mittlere Filter 16_C kann ein Allpaßfilter sein, d.h. es kann auch wegfallen. Die von der Hochfrequenz sei te des Filters I6_r ausgehenden Filter sind Hochpaßfilter mit zunehmend abfallender Charakteristik und die Filter auf der Niederfrequenzseite des Filters 16„ sind Tiefpaßfilter mit zunehmend abfallenden Kennlinie. Die Endfilter 16„. und 16_L sind vorzugsweise Hochpaß- bzw. Tiefpaßfilter mit relativ steilflankiger Begrenzung.

Die Anordnung 10 der Fig. 1 kann auch rosettenförmig ausgebildet sein, wie es der Grundriß von Fig. 7 erkennen läßt, um die Sendung bzw. den Empfang in einer ausgewählten Richtung innerhalb von 360° zu ermöglichen. Wie aus der Zeichnung hervorgeht, auf die ausdrücklich verwiesen wird, sind acht gleiche Anordnungen 10 vorgesehen, die radial nach außen strahlen. Um eine hohe Richtwirkung zu erhalten, kann ein Riehtstrahl dadurch gebildet werden, daß die Anordnung selektiv eingeschaltet wird, so daß die Strahlungsenergie von 2, 3 oder 4 einander benachbarten Anordnungen sich addiert. Die Ausgangsenergie von einzelnen Reihen kann dazu benutzt werden, um einen relativ breiteren Richtstrahl zu erzeugen.

Die Strahlungsdiagramme der einzelnen Anordnungen werden nur sehr wenig dadurch beeinflußt, daß die Anordnung, wenn dies gewünscht wird, von dem Hochfrequenzende auf der anderen Seite der Rosette erregt wird.

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Ein typisches Strahlungsdiagramm ist in Fig. 8 dargestellt. Die Kurve A zeigt das Strahlungsdiagramm, wenn zwei einander benachbarte Anordnungen eingeschaltet sind und Kurve B zeigt das Strahlungsdiagramm bei Einschaltung von drei Anordnungen. Es ist ersichtlich, daß sich auf diese Weise insgesamt 16 Richtstrahlen erzeugen lassen.

Wie aus Fig. 1 hervorgeht, haben die Zuleitungen 15 alle eine konstante Länge. Es wurde jedoch gefunden, daß die Arbeitsweise verbessert werden kann, indem die Länge der Zuleitungen entlang der Anordnung fortschreitend verändert wird, so daß die Zuleitung 15H für den Ring mit der höchsten Frequenz am längsten ist und die Zuleitung 15L für den Ring mit der niedrigsten Frequenz die kürzeste ist. Bei dieser Art der Ausführung sollte die Zuleitungslänge linear mit dem Abstand des Ringes von der Spitze der logarithmischen Anordnung in Beziehung stehen.

Die beschriebenen Anordnungen haben mehrere Vorteile gegenüber den üblichen logarithmisch periodischen Anordnungen. Sie lassen sich vor allem mit wesentlich niedrigeren Kosten installieren und warten als übliche Dipolanordnungen und zwar wegen ihrer kleineren Abmessungen und dies bedeutet auch, daß sie weniger Bodenfläche benötigen und in der Nähe von Flughafen angeordnet werden können, wo man mit tief fliegenden Flugzeugen rechnen muß. Sie sind auch in der Landschaft weniger auffallend und störend. Sie sind bezüglich der Wirkungsweise günstiger, da. sie von sich aus ein besseres Behältnis von Vorderseite zur Rückseite haben und da die Richtwirkung der Anordnung sich in Abhängigkeit von der Frequenz über einen weiten Bereich nur wenig ändert. Beim Entwurf der Anordnung hat man größere Freiheit die Entwurfsparameter zu optimieren als bei üblichen Anordnungen, so daß sich die Möglichkeit ergibt, eine günstigere Richtcharakteristik zu erhalten.

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Claims (1)

1. Patentansprüche

   Antennenanordnung mit mehreren, in gegenseitigen Abständen entlang einer geraden Linie angeordneten Antennenelementen, bei der die Abstände zwischen den Elementen nach einer logarithmischen Beziehung fortschreitend zunehmen,

   dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenelemente als aktive Breitbandantennenelemente (12) mit im wesentlichen gleichen Impedanzen ausgebildet sind, daß je ein Filter (16) mit jedem Element verbunden ist, daß die Filter fortschreitend entlang der Linie solche Kennlinien haben, daß sie dort, wo die Elemente dicht beieinander stehen, hohe Frequenzen durchlassen und dort, wo sie größere Abstände haben, niedrigere Frequenzen durchlassen.

   Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Antennenelement die Form eines Ringes (12) mit einem Anschlußpunkt an dem Ring hat, daß die Impedanz am Umfang des Ringes in einem Bereich, der dem Anschlußpunkt gegenüberliegt, im Vergleich zu dem Rest des Ringes erhöht ist« (Fig. 2).

   Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Impedanz durch Einschaltung eines Widerstandes

   (7) in den Ring erhöht ist.

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   4. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß ein Breitbandverstärker (14) zwischen jedem Antennenelement (12) und dem zugehörigen Filter (16) vorgesehen ist.

   5. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet, daß in jedem Filter (16) ein abgestimmter Serienkreis enthalten ist.

   6. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche,

   dadurch gekennzeichnet,

   daß die Filter (16) von einer einzigen Übertragungsleitung (20) gespeist werden,, die an der Anordnung entlangläuft.

   7. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Filter (16) durch einzelne Übertragungsleitungen (Fig. 6) gespeist werden.

   8. Antennenanordnung nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß eines der Filter ein Allpaßfilter ist.

   9. Antennenanordnung nach einem oder mehreren der vorhergehenden Ansprüche, bei dem jedes Filter mit dem zugehörigen Antennenelement über eine Zuführungsleitung verbunden ist,

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   dadurch gekennzeichnet, daß die Längen der Zuführungsleitungen mit abnehmenden Abständen zwischen den Elementen fortschreitend zunehmen.

   10. Antennenanordnung,

   dadurch gekennzeichnet, daß mehrere lineare Anordnungen zusammen eine Rosette bilden.

   Re/Pi.

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   4z

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