DE2648350C2

DE2648350C2 - Microwave antenna

Info

Publication number: DE2648350C2
Application number: DE19762648350
Authority: DE
Inventors: Karl-Peter Dr.-Ing. 6100 Darmstadt Dombek
Original assignee: Siemens AG; Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Siemens AG; Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1976-10-26
Filing date: 1976-10-26
Publication date: 1987-04-16
Also published as: DE2648350A1

Description

Die Erfindung geht aus von einer Mikrowellenantenne gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.The invention is based on a microwave antenna according to the preamble of claim 1.

Antennen der im Oberbegriff des Anspruchs 1 angegebenen Art sind z. B. aus der US-PS 34 91 361, aus "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", AP-22, 1974, Heft 6, Seiten 829 und 830 sowie aus "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", Juli 1972, Seiten 516 und 517 bekannt, wobei eine Reihe von in sich geschlossenen schmalen Ringen verwendet wird, die verhältnismäßig weit auseinanderliegen und einen Umfang aufweisen, der größer oder gleich der Freiraumwellenlänge ist.Antennas of the type specified in the preamble of claim 1 are known, for example, from US Pat. No. 3,491,361, from "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", AP-22, 1974, Issue 6, pages 829 and 830, and from "IEEE Transactions on Antennas and Propagation", July 1972, pages 516 and 517, using a series of self-contained narrow rings which are relatively far apart and have a circumference which is greater than or equal to the free-space wavelength.

Es ist auch eine dipol- oder leitungsgespeiste Antenne bekannt, bei der vor der Apertur eines Hohlleitungs- oder Dipolstrahlers eine Reihe von in sich geschlossenen metallischen Ringen oder Rahmen angebracht ist. Diese Leitringantenne arbeitet ähnlich wie die bekannte Yagiantenne. Um die für die Direktorringe notwendige Eigenresonanz zu erreichen, muß der Ringumfang allerdings unter der Freiraumwellenlänge gehalten werden. Die Breite der Direktorringe liegt beim 0,01fachen der Freiraumwellenlänge (DE-AS 11 00 726 und "NTZ", 1959, Heft 10, Seiten 501-508).A dipole or line-fed antenna is also known, in which a series of self-contained metal rings or frames are attached in front of the aperture of a hollow line or dipole radiator. This guide ring antenna works in a similar way to the well-known Yagi antenna. In order to achieve the natural resonance required for the director rings, the ring circumference must be kept below the free-space wavelength. The width of the director rings is 0.01 times the free-space wavelength (DE-AS 11 00 726 and "NTZ", 1959, issue 10, pages 501-508).

Als Primärstrahler einer Spiegelantenne oder als Einzelstrahler einer phasengesteuerten Gruppenantenne zu verwendende Antennen sollen geringe Querabmessungen und geeignete Strahlungseigenschaften aufweisen. Beides läßt sich gleichzeitig nur sehr schwierig erreichen. Reine Querstrahler, z. B. Hohlleiter- oder Hornstrahler, erfordern zur Realisierung geeigneter Strahlungseigenschaften merkliche Querabmessungen, wogegen sich mit Längsstrahlern, die üblicherweise geringe Querabmessungen besitzen, nur sehr schwierig geeignete Richtcharakteristiken erreichen lassen. Bei Längsstrahlern handelt es sich z. B. um eine quasi ungestörte Hohlleitungsstruktur, die eine erhöhte Phasengeschwindigkeit gegenüber dem freien Raum aufweist und die längs ihrer Achse mit einer Gruppe von Schlitzstrahlern oder mit einem durchgehenden Längsschlitz versehen ist ( sogenannte Leckwellenantennen), oder um eine wellenführende Struktur (dielektrischer Stab, dielektrisches Rohr, Leitscheiben, Leitringe, Direktorstäbe), die phasenverzögernd wirkt, so daß sich eine unter der Freiraumwellenlänge liegende Wellenlänge auf ihr ausbildet.Antennas to be used as primary radiators of a mirror antenna or as individual radiators of a phase-controlled group antenna should have small transverse dimensions and suitable radiation properties. It is very difficult to achieve both at the same time. Pure transverse radiators, e.g. waveguide or horn radiators, require significant transverse dimensions to achieve suitable radiation properties, whereas it is very difficult to achieve suitable directional characteristics with longitudinal radiators, which usually have small transverse dimensions. Longitudinal radiators are, for example, a virtually undisturbed hollow line structure that has a higher phase velocity than free space and is provided with a group of slot radiators or a continuous longitudinal slot along its axis (so-called leaky wave antennas), or a wave-guiding structure (dielectric rod, dielectric tube, guide disks, guide rings, director rods) that has a phase-delaying effect so that a wavelength below the free space wavelength is formed on it.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der eingangs genannten Art so weiterzubilden, daß sich mit den geringen Querabmessungen eines Längsstrahlers Richtcharakteristiken erreichen lassen, die denjenigen eines Querstrahlers entsprechen, und somit einen sehr vorteilhaften Einsatz als Primärstrahler einer Spiegelantenne oder als Einzelstrahler einer Gruppenantenne ermöglichen.The invention is based on the object of developing an antenna of the type mentioned at the outset in such a way that directional characteristics can be achieved with the small transverse dimensions of a longitudinal radiator which correspond to those of a transverse radiator, and thus enable very advantageous use as a primary radiator of a mirror antenna or as a single radiator of a group antenna.

Gemäß der Erfindung, die von einer Mikrowellenantenne der eingangs genannten Art ausgeht, wird diese Aufgabe durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angegebenen Maßnahmen gelöst.According to the invention, which is based on a microwave antenna of the type mentioned at the outset, this object is achieved by the measures specified in the characterizing part of claim 1.

Im Falle der Verwendung eines Hohlleitungsstrahlers bestehen die vorgesetzten Rahmen bzw. Ringe vorteilhaft aus kurzen Hohlleiterstücken, deren Umfangsabmessungen denjenigen des Hohlleitungsstrahlers entsprechen.If a waveguide radiator is used, the frames or rings in front advantageously consist of short waveguide pieces whose circumferential dimensions correspond to those of the waveguide radiator.

Die Rahmen bzw. Ringe können beispielsweise durch zweckmäßig geformte, dielektrische Zwischenstücke gegenseitig fixiert werden.The frames or rings can be fixed to each other, for example, by means of suitably shaped dielectric spacers.

Daneben ist eine Fixierung oder Aufbringung der vorzusetzenden Rahmen bzw. Ringe auf einer dielektrischen Füllung möglich, wobei sich diese Füllung vom speisenden Strahler bis zum äußersten Ring erstreckt.In addition, it is possible to fix or apply the frames or rings to a dielectric filling, whereby this filling extends from the feeding radiator to the outermost ring.

Um entsprechend der Erfindung eine Wellenführung in Hohlleiterstücken zu erreichen, ist ein Betrieb oberhalb der Grenzfrequenz notwendig, woraus sich z. B. bei kreisförmigem Querschnitt ein Umfang des Hohlleiters größer als das 1,8fache der Freiraumwellenlänge ergibt. Die Funktion bleibt auch erhalten, wenn die Anregung der Hohlleiterwelle in den Ringen oder Rahmen in an sich bekannter Weise durch einen Dipol unter eventueller Einbeziehung eines Reflektors erfolgt. Im Gegensatz zu der Antenne nach der erwähnten DE-AS 11 00 726 besteht die hier vorgeschlagene Antenne aufgrund ihrer anderen Funktionsweise aus einer vornehmlich hohlleitungsgespeisten Anordnung von Rahmen und Ringen mit in bezug auf Breite und Umfang wesentlich größeren Abmessungen. Anders als bei Quasi-Yagiantennen erfolgt hier durch die Dimensionierung eine Wellenführung wie in einer Hohlleitung, während zwischen den Rahmen oder Ringen eine Abstrahlung erfolgt, deren Größe von der jeweiligen Schlitzbreite abhängt. Zusätzlich findet eine Abstrahlung von der Endapertur des letzten Ringes als reine Querstrahlung statt.In order to achieve wave guidance in waveguide sections according to the invention, operation above the cut-off frequency is necessary, which results in a circumference of the waveguide greater than 1.8 times the free space wavelength, for example in the case of a circular cross-section. The function is also retained if the excitation of the waveguide wave in the rings or frames takes place in a known manner by a dipole with the possible inclusion of a reflector. In contrast to the antenna according to the aforementioned DE-AS 11 00 726, the antenna proposed here consists, due to its different mode of operation, of a primarily waveguide-fed arrangement of frames and rings with significantly larger dimensions in terms of width and circumference. Unlike quasi-Yagi antennas, the dimensioning here ensures wave guidance as in a waveguide, while radiation takes place between the frames or rings, the size of which depends on the respective slot width. In addition, radiation from the end aperture of the last ring takes place as pure transverse radiation.

Die Erfindung wird im folgenden anhand von zwei Figuren erläutert. Es zeigtThe invention is explained below with reference to two figures. It shows

Fig. 1a ein Ausführungsbeispiel einer Antenne nach der Erfindung in einer Querschnittsdarstellung von der Seite, Fig. 1a an embodiment of an antenna according to the invention in a cross-sectional view from the side,

Fig. 1b das Richtdiagramm der Antenne nach Fig. 1a und im Vergleich dazu ein Richtdiagramm eines einfachen Hohlleitungsstrahlers. Fig. 1b shows the directional pattern of the antenna according to Fig. 1a and, in comparison, a directional pattern of a simple waveguide radiator.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in Fig. 1a schematisch dargestellt. Es zeigt einen Rundhohlleiter 1 mit vier vorgesetzten Hohlleiterstücken 2 unterschiedlicher Breite ( zweckmäßige Werte der Breite liegen zwischen 0,1 und 0,3 Hohlleiterwellenlängen).An embodiment of the invention is shown schematically in Fig. 1a. It shows a circular waveguide 1 with four waveguide sections 2 of different widths (suitable values of the width are between 0.1 and 0.3 waveguide wavelengths).

In Fig. 1b ist das erreichte Richtdiagramm als ausgezogene Linie im Vergleich zum gestrichelt dargestellten Richtdiagramm der einfachen Hohlleiteröffnung aufgetragen. Man erkennt, daß sich hier eine quasi-sektorförmige Richtcharakteristik mit sehr steilen Flanken erreichen läßt. Mit Antennen der beschriebenen Art lassen sich also trotz ihrer geringen Querabmessungen und ihres einfachen Aufbaus bemerkenswerte Richtcharakteristiken erreichen, die nur durch das Zusammenwirken von Längs- und Querabstrahlung erklärbar sind.In Fig. 1b, the achieved directional pattern is plotted as a solid line in comparison to the dashed directional pattern of the simple waveguide opening. It can be seen that a quasi-sector-shaped directional characteristic with very steep flanks can be achieved here. With antennas of the type described, remarkable directional characteristics can be achieved despite their small transverse dimensions and their simple construction, which can only be explained by the interaction of longitudinal and transverse radiation.

Die in Fig. 1b wiedergegebene Richtcharakteristik ist mit einer Anordnung nach Fig. 1a bei einer Wellenlänge von 28 mm gemessen worden. Hierbei betrug der Durchmesser des Hohlleiters, wie der der Ringe 23 mm. Die Abstände zwischen den Ringen und die Ringbreiten waren ausgehend vom Ende des ungestörten Hohlleiters

1. Zwischenraum 1,5 mm
1. Ringbreite 4,5 mm
2. Zwischenraum 3 mm
2. Ringbreite 2 mm
3. Zwischenraum 2,5 mm
3. Ringbreite 6 mm
4. Zwischenraum 5 mm
4. Ringbreite 4 mm

The directional characteristic shown in Fig. 1b was measured with an arrangement according to Fig. 1a at a wavelength of 28 mm. The diameter of the waveguide and the rings were 23 mm. The distances between the rings and the ring widths were measured from the end of the undisturbed waveguide.

1. Gap 1.5 mm
1. Ring width 4.5 mm
2. Space 3 mm
2. Ring width 2 mm
3. Gap 2.5 mm
3. Ring width 6 mm
4. Gap 5 mm
4. Ring width 4 mm

Die Ringe wurden auf einem Acrylglasschaumzylinder gehalten.The rings were held on an acrylic foam cylinder.

Claims

1. Microwave antenna, consisting of a radiator and a series of self-contained metallic frames or rings, the circumference of which exceeds a free space wavelength at the operating frequency and which are arranged in front of the radiator symmetrically to its main radiation axis, characterized in that the frames or rings ( 2 ) lying in front of the radiator designed as a waveguide ( 1 ) or dipole radiator have a cross-sectional dimension such that a waveguide waveguide excited by the radiator can just about form in them, that the widths of the individual frames or rings are between 0.05 times and 1 times the free space wavelength and that narrow slots are provided between the individual frames or rings, the respective width dimensions of which determine a first radiation component emanating from the slots, whereas a second radiation component, which together with the first radiation component results in the entire antenna radiation, is emitted by the end aperture of the emitter at the furthest point of the frame or ring.

2. Microwave antenna according to claim 1, characterized in that the frames or rings ( 2 ) provided in front, in the case of the use of a waveguide radiator, consist of short waveguide pieces whose circumferential dimensions correspond to those of the waveguide radiator.

3. Microwave antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the frames or rings ( 2 ) provided are mutually fixed by inserted dielectric spacers.

4. Microwave antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the frames or rings ( 2 ) are applied to a dielectric filling which extends from the feeding radiator ( 1 ) to the outermost frame or ring.