DE2753180A1

DE2753180A1 - Rundstrahlantenne

Info

Publication number: DE2753180A1
Application number: DE19772753180
Authority: DE
Inventors: Jean Bouko; Francois Salvat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1978-06-15
Also published as: FR2372522B1; IT1090595B; NL7713137A; DE2753180B2; FR2372522A1; GB1568132A; US4143377A; DE2753180C3

Description

DIETRICH LEWINSKY HEINZOOACIJJM HUBER 29.November 1977 REINER PRIETSCH ₁₀ oi^-v/Ni

MÖNCHEN 21 GOTTHARDSTR. 81

Thomson-CSF, Bl. Haussmann 173, F-75OO8 Paris (Frankreich)

"Rundstrahlantenne"

Priorität: 30. November 1976, 76 36071, Frankreich

Die Erfindung betrifft eine Rundstrahlantenne und insbesondere eine Antenne mit Rundstrahlcharakteristik in der Horizont alebene, deren Strahlungsdiagramm in der Vertikalebene eine bestimmte Richtung aufweist.

Derartige Antennen werden zum Nachweis elektromagnetischer Strahlung und gleichermaßen auf dem Gebiet der Nachrichtentechnik verwendet.

Derartige Rundstrahlantennen sind bekannt und im folgenden werden vor allem diejenigen erwähnt, die als Doppelkonusantennen bezeichnet werden. Diese besitzen im Prinzip zwei konische Reflektoren mit gegeneinander gerichteten Konusspitzen und werden exakt an den Konusspitzen gespeist.

Eine Doppelkonusantenne mit Rundstrahlcharakteristik in der Horizontalebene besitzt ein Richtdiagramm in der Vertikalebene, das von der Größe der strahlenden öffnung in dieser Ebene abhängt. Wenn in der Vertikalebene ein Strahlungsdiagramm mit schwachen Nebenzipfeln gewünscht wird, 1st es nötig, daß die Ausleuchtung mit geringen Phasenfehlern erfolgt. Die strahlende öffnung muß sehr groß sein, damit das Strahlungsdiagramm in Vertikalrichtung schmal ist. Dies führt jedoch zu Phasenfehlern der Feldverteilung entlang der strahlenden öffnung und verursacht ein Anwachsen der Nebenzipfel. - 2 -

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Der Phasenfehler kann dadurch verkleinert werden, daß zur Verkleinerung der strahlenden öffnung der Winkel zwischen den Mänteln der Antennenkonen verkleinert wird. Diese Verkleinerung des Phasenfehlers wird jedoch - bei gleichbleibender Konushöhe - nur um den Preis einer Vergrößerung der Konusbasen erhalten. Hieraus folgt eine wesentliche Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der Konusbasen, was sich ungünstig auf das Gewicht und den Platzbedarf der Antenne auswirkt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antenne der im Oberbegriff des Patentanspruches 1 genannten Art zu schaffen, die sich trotz geringer Abmessungen durch ein schmales Vertikaldiagranun auszeichnet.

Die Lösung dieser Aufgabe ist im Patentanspruch 1 beschrieben.

Nach einem Merkmal der Erfindung besitzt die Doppelkonusantenne zwei metallische Konen mit gegensinnig gerichteten Spitzen, wobei die Konen einen kleinen öffnungswinkel aufweisen, wodurch die Abmessungen der Antenne begrenzt werden, und zwei dielektrische Scheiben, deren Flächen parallel zur Grundfläche der Konen verlaufen, und die im wesentlichen an den entsprechenden Konusspitzen angeordnet sind, wobei die Antenne in ihrem Zentrum durch einen mit Schlitzen versehenen Hohlleiter gespeist wird, wobei die Ausrichtung der Schlitze von der Polarisation der Welle abhängt.

Die Erfindung wird im folgenden anhand eines in den Figuren schematisch dargestellten Ausführungsbeispieles näher erläutert. Es zeigt:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht (schräg von oben) einer Antenne gemäß der Erfindung,

Figur 2 eine Doppelkonusantenne nach der Stande der

Technik und einen Teil der Doppelkonusantenne gemäß der Erfindung mit entsprechend kleineren Abmessungen,

Figur 3 eine Seitenansicht einer Antenne nach der

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Erfindung,

Figur 4 ein Diagramm zur Veranschaulich ung der Phasenverteilung in der Antennenöffnung der Antenne nach Figur 1,

Figur 5 Strahlungsdiagramme einer Antenne gemäß der Erfindung und einer herkömmlichen Doppelkonusantenne,

Figur 6 eine Kurve, die die vertikale Breite des

Strahlungsdiagrammes in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Scheibenlänge zur Wellenlänge wiedergibt.

Figur 1 zeigt eine Kundstrahlantenne nach der Erfindung. Sie besteht aus zwei metallischen Kegelstümpfen 1 und 2, die auf einem Wellenleiter 3 mit kreisförmigem Querschnitt befestigt sind. Der Wellenleiter ist der Speisehohlleiter, der an einem Ende durch einen Kurzschluß CC geschlossen ist. Durch den Schnitt der Kegelstümpfe 1 und 2 mit der Speiseleitung 3 entstehen Schnittflächen 4 und 5, zwischen denen ein Teil des Hohlleiters 3 liegt. Zwei dielektrische Scheiben 6 und 7 sind an den Kegelstümpfen 1 und 2 in Höhe der Schnittlinien H und 5 so befestigt, daß die Grundflächen der Kegelstümpfe und die Flächen der dielektrischen Scheiben parallel sind. Die dielektrischen Scheiben sind folglich senkrecht zur Achse des Speisehohlleiters 3. Der Abschnitt 8 des Speisehohlleiters weist mehrere äquidistante Schlitze auf, von denen in der Zeichnung lediglich drei, nämlich die Schlitze 9, 10 und 11 zu erkennen sind.

In der Darstellung der Figur 1 sind diese Schlitze parallel zur Achse des Speisehohlleiters. Die Schlitze können auch anders, nämlich vertikal, horizontal oder schräg angeordnet sein, Jenachdem, ob die Polarisation der Wellen horizontal, vertikal oder zirkulär ist. Der Wellentyp der Erregung kann ebenfalls geändert werden. Im Falle des in der Figur dargestellten Beispiels ist er E_Q1 und im Fall einer Vertikalpolarisation ist er Hq..

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Im Falle des In Figur 1 dargestellten Beispiels, bei dem die Schlitze vertikal sind, strahlt die beschriebene Antenne mit linearer, horizontaler Polarisation und der Hohlleiter 3 wird dur di eine Welle vom Typ E_Q1 gespeist. Die Schlitze sind mit dem Hohlleiter durch Radialsonden 12 gekoppelt, die an der Seite eines jeden Schlitzes liegen.

In Pigur 3, die schematisch die Antenne der Figur 1 zeigt, ist der Winkel zwischen einer Hantellinie des Kegelstumpfes 1 und der zugehörigen dielektrischen Scheibe 6 mit A, bezeichnet. Dieser Winkel wird im allgemeinen kleiner oder gleich 45° gewShlt. Ohne die dielektrischen Scheiben 6 und 7 besäße das Strahlungsdiagramm der Antenne, die schematisch In Figur 2 dargestellt ist und die nur aus den metallischen Kegelstümpfen 100 und ?00 besteht, sehr große Nebenzipfel, wie dies aus der Kurve IV der Figur 5 ersichtlich ist. Um die Größe dieser Nebenzipfel zu beschränken, wäre es vonnöten, den Winkel cC kleiner oder gleich 20° zu wählen. In diesem Fall wäre jedoch die Länge der Antenne, gemesssen entlang dem Durchmesser der Kegelstumpfbasis dreimal größer als der Durchmesser £e*gelstumpfbasls einer Antenne gemäß Figur 1. Der Winkel ck. l eines derartigen Kegelstumpfes sowie die Größe einer herkömmlichen Antenne 1st aus Figur 2 ersichtlich. Die Kegelstumpfe erstrecken sich bis zu den Punkten A-, B₁, A- und B-. In diese Figuren 2 sind ebenfalls die Kegelstumpfbasen AA* und BB* einer Antenne mit dielektrischen Scheiben eingezeichnet (Scheiben nicht dargestellt), um den wesentlichen Größenunterschied zwischen den Abmessungen der Kegelstümpfe herauszustellen.

Die Korrektur oder Kompensation der Phasenfehler in der strahlenden öffnung der Antenne beruht auf dem Unterschied der Ausbreitung der Wellen In einer herkömmlichen Doppelkonusantenne und Im Falle der Erfindung der Wellenausbreitung In dem zwischen zwei dielektrischen Scheiben liegenden Antennenraum. Gemäß Figur 2, in der die dielektrischen Scheiben nicht dargestellt sind, kann der Phasenunterschied zwischen einem zentralen Strahl Rl und einem zum Rand der strahlenden öffnung verlaufenden Strahl beispielsweise zu dem nach Punkt A verlaufenden Strahl R2 bestimmt werden.

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Diese Phasenverschiebung kann ausgedrückt werden durch:

A (F - 2 mSin β 1 a X 7v- ο' 2

wobei y3l der Winkel zwischen dem Strahl R2 und der zentralen Achse ΟΧ,Λ-ο die Länge der verwendeten Welle und a die Abmessung der strahlenden öffnung ist. In Figur 1 ist auch der Winkeldll dargestellt, der von einer Mantellinie des Antennenkonus und der Zentralachse eingeschlossen wird. Im allgemeinen ist der Winkel ßl größer als der Winkel«*. 1 und für einen Winkelt 1, der größer als 30 1st, ändert sich die Phasenverteilung der Ausleuchtung der strahlenden öffnung AB von der Mitte dieser öffnung zu ihrem Rand wesentlich. Dies führt zu einer Bündelung des Vertikaldiagramms, die wesentlich geringer als die errechnete ist und die durch folgende Formel ausgedrückt wird (Θ in Grad):

Durch das Hinzufügen von dielektrischen Scheiben 6 und 7 zu einer klassischen Doppelkonusantenne kann diese Bündelung verbessert werden, so daß sie sich dem theoretischen Wert nähert.

Anhand von Figur 3 soll Im folgenden bei einer Antenne gemäß der Erfindung der Phasenunterschied zwischen dem Strahl Rl und dem Strahl R2 bestimmt werden.

Wie bei der vorausgegangenen Figur ist der Strahl Rl ein Zentralstrahl, der sich entlang der Achse OX ausbreitet, während der Strahl R2 sich durch die Scheibe 6 in dem Raum zwischen den Antennenkonen bis zum Rand A der strahlenden öffnung fortpflanzt.

Der Strahl R2 trifft auf die Scheibe 6 beispielsweise unter einem Winkel, unter dem er die Scheibe ohne Veränderung durchqueren kann,und erleidet eine Phasenverschiebung analog derjenigen, die er unter vergleichbaren Bedingungen in einer Doppelkonusantenne ohne dielektrische Scheiben erfahren würde. Dagegen wird der Strahl Rl, dessen Einfallswinkel gering ist, nahezu voll-

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ständig von dem Dielektrikum reflektiert, weswegen seine Ausbreitung durch die beiden Scheiben bestimmt ist. Aus diesem Grunde erfährt er eine Phasenverzögerung relativ zu dem Strahl Rl in den Antennenaufbau der Figur 2. Unter der Annahme, daß der Abstand zwischen den Scheiben von der Größenordnung einer Wellenlänge, angenommenA.ο, ist, kann diese Phasenverzögerung in Abhängigkeit von der Länge L der Scheiben errechnet werden.

Die Phasenverzögeruno kann ausgedrückt werden durch

wobei die HohlleiterwellenlängeAg gegeben ist durch:

JlC _ 2 Ao

Ag

wobei gilt

Es wird daran erinnert, daß für die Phasenverschiebung in der strahlenden öffnung AB gilt:

2 Jt sin β a A. ο "2

Folglich wird die Länge L so gewählt, daßA$ = A$·, um eine Kompensation der Phasenabweichung zu erhalten.

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Durch die Wahl der Länge der Scheiben wurde die Änderung der Phasenverteilung in der strahlenden Öffnung minimiert und die Bündelung folgt dem Gesetz:

_ 70Ao, - 3dB " a

wobei ö-z_dn den 3-dB-öffnungswinkel des Vertikaldiagrammes darstellt, wobei θ in Grad ausgedrückt ist.

Sei beispielsweise θ _ß = 20° und der Winkel β = 35°, so erhält man L = 7,5 λ-ο.

Versuche haben jedoch gezeigt, daß die Länge L kleiner zu wählen ist, als durch obige Gleichung zu erwarten wäre.

Figur k zeigt die Phasenverteilung in der strahlenden Öffnung. Die Kurve I zeigt die Phasenverteilung bei Abwesenheit der Scheiben, II bei Vorhandensein der Scheibe und III zeigt die korrigierte Phasenverteilung, die im Falle der Erfindung erhalten wird.

Figur 5 zeigt die Vertikaldiagramme, die mit einer herkömmlichen Doppelkonusantenne und mit einer Antenne nach der Erfindung erhalten werden. Das mit einer herkömmlichen Antenne erhaltene Diagramm IV ist relativ breit und besitzt große Nebenzipfel. Es unterscheidet sich wesentlich von dem Diagramm V, das mit Hilfe einer mit dielektrischen Scheiben ausgerüsteten Doppelkonusantenne erhalten wird. Das Diagramm V nähert sich dem theoretischen Diagramm.

In Figur 6 ist eine Kurve dargestellt, die die vertikale Breite des Diagrammes, d.h. ©-.,„ in Abhängigkeit von dem Verhältnis ς—,

j jQd A-O

wiedergibt, wobeiVäie Länge der Scheibe und λ.ο die Wellenlänge ist. Die Dielektrizitätskonstante ε des für die Scheiben verwende ten Materials ist Parameter. Der optimale Scheibenabstand liegt zwischen 0,75 und 1,2Λο und die Scheibendicke e ist beispielsweise so gewählt, daß gilt: -8-

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- -r

e/λο

\ ίο

Es 1st Im Rahmen der Erfindung ebenfalls möglich, zwei Scheiben mit unterschiedlicher Dicke zu verwenden. Dies führt zu einer Verschiebung des Strahlungsmaximums des Vertikaldlagrammes um einen Winkel, der mehrere Grade erreichen kann. Das Strahlungsmaximum verlagert sich dabei auf die Seite der dünneren Scheibe.

Vorstehend wurde folglich eine Horizontalrundstrahlantenne mit variablem Vertikaldiagramm beschrieben, das sehr schmal ist und keine Nebenzipfel aufweist.

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Leerseite

Claims

PATENTANWÄLTE

DIETRICH LEWINSKY

HEINZ-JOACHIM HUBER 29.November 1977

REINER PRIETSCH _{10 Ol4}._v/N1

MÖNCHEN 21 lO.OH-V/Ni

GOTTHARDSTR. 81

Thomson-CSF

Patentansprüche;

Iy Rundstrahlantenne mit zwei metallischen Kegelstümpfen mit sich gegenüberstehenden Spitzen und einem Speisehohlleiter, der zwischen den Spitzen endet ,sowie mit dielektrischen Scheiben, dadurch gekennzeichnet^ daß zwei der dielektrischen Scheiben (6, 7) parallel zur Basis (AA', BB') der Kegelstümpfe (1, 2) angeordnet sind, daß die Scheiben (6, 7) eine Länge (L) und eine Dicke (e) aufweisen, die so bestimmt sind, daß die Bedingungen für die Energieausbreitung Im Antennenraum zwischen den Scheiben (6, 7) relativ zu den Ausbreitungsbedingungen im Antennenraum außerhalb der Scheiben (6,7) derart geändert sind, daß die Phasendifferenz zwischen der Welle im zentralen Teil und der Welle Im Randbereich der strahlenden öffnung sich verringert.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der pptimale Abstand zwischen den Scheiben (6, 7) zwischen dem 0,75-fachen bis 1,4-fachen der verwendeten Wellenlänge 1st.
3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge einer der Scheiben (6, 7) optimalerweise zwischen dem 5-fachen bis 10-fachen einer Wellenlänge liegt.
4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß.die Scheiben (6, 7) unterschiedlich dick sind, wodurch das Strahlungsmaximum des Diagrammes um einige Winkelgrade auf die Seite der dünneren Scheibe verschoben wird.

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