DE2753180B2

DE2753180B2 - Rundstrahlantenne mit zwei metallischen Kegelstümpfen

Info

Publication number: DE2753180B2
Application number: DE2753180A
Authority: DE
Inventors: Jean Villemoisson Bouko; Francois Chatenay Malabry Salvat
Original assignee: Thomson CSF SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1976-11-30
Filing date: 1977-11-29
Publication date: 1979-10-31
Also published as: DE2753180C3; GB1568132A; US4143377A; NL7713137A; IT1090595B; DE2753180A1; FR2372522B1; FR2372522A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Rundstrahlantenne mit zwei metallischen Kegelstümpfen mit sich gegenüberstehenden Spitzen, einem axialen Speisehohlleiter, der die Antenne über Schlitze erregt und mit parallel zur Basis der Kegelstümpfe angeordneten Kreisringscheiben, deren Ringbreite so gewählt ist, daß die Phasendifferenz zwischen der Welle im zentralen Teil und der Welle im Randbereich der strahlenden öffnung sich verringert.

Eine Rundstrahlantenne dieser Art, die auch als bikonische Antenne bezeichnet wird, 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, ist es nötig, daß in der strahlenden Öffnung geringe Phasenfehler vorliegen. 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.

Der Phasenfehler kann dadurch verkleinert werden, daß zur Verkleinerung der strahlenden Öffnung der Winkel zwischen den Mänteln der Kegelstümpfe verkleinert wird. Diese Verkleinerung des Phasenfehlers wird jedoch — bei gleichbleibender Kegelstumpfhöhe — nur um den Preis einer Vergrößerung der Kegelstumpfbasen erhalten. Hieraus folgt eine wesentliche Vergrößerung der geometrischen Abmessungen der Kegelstumpfbasen, was sich ungünstig auf das Gewicht und den Plstzbedarf der Antenne auswirkt.

Eine Rundstrahlamenne der eingangs genannten Art ist aus der US-PS 26 50985 bekannt. Bei dieser bekannten Antenne ist angestrebt, die große Länge von Hornstrahlem, die erforderlich ist, wenn diese eine große strahlende öffnung aufweisen, zu reduzieren. Eine bloße Verringerung der Länge führt jedoch zu Phasent'ehlern in der Öffnung. Um diese Phasenfehler

ίο insbesondere bei einer bikonischen Antenne zu kompensieren, werden bei der bekannten Antenne in der strahlenden Öffnung Wellenleiter in Form von metallischen Kreisringscheiben angeordnet, in denen die Phasengeschwindigkeit vergrößert ist, so daß die

•5 unterschiedlichen Weglängen in der Antenne kompensiert werden. Bei dieser bekannten Antennenkonzeption sind jedoch sehr viele Kreisringscheiben zur Phasenkompensation erforderlich, so daß die Antenne infolge der metallischen Scheiben schwer und windempfindlich wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Aiuenne der eingangs genannten Art zu schaffen, die sich bei gleichbleibendem schmalen Vertikaldiagramm durch geringes Gewicht auszeichnet.

Diese Aufgabe ist dadurch gelöst,

a) daß genau zwei Kreisringscheiben vorgesehen sind.

b) daß die Kreisringscheiben aus dielektrischen Material bestehen und

c) daß die Kreisringscheiben eine solche Dicke e aufweisen, daß die Phasendifferenz zwischen der Welle im zentralen Teil und der Welle im Randbereich der strahlenden Öffnung sich verringert

Bei einer Antenne nach der Erfindung besteht im Gegensatz zu einer Antenne mit metallischen Kreisringscheiben die Möglichkeit, einen weiteren Antennenparameter durch die Wahl der Dicke der dielek:rischen Kreisringscheiben zu verändern und so die Richtwirkung der Antenne zu beeinflussen.

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

F i g. 1 eine perspektivische Ansicht (schräg von oben) einer Antenne gemäß der Erfindung,

F i g. 2 eine bikonische Antenne nach dem Stande der Technik und einen Teil der bikonischen Antenne gemäß der Erfindung mit entsprechend kleineren Abmessungen,

Fig. 3 eine Seitenansicht einer Antenne nach der Erfindung,

Fig.4 ein Diagramm zur Veranschaulichung der Phasenverteilung in der Antennenöffnung der Antenne nach Fig. 1,

Fig.5 Strahlungsdiagramme einer Antenne gemäß der Erfindung und einer herkömmlichen bikonischen Antenne,

Fig.6 eine Kurve, die die vertikale Breite des Strahlungsdiagrammes in Abhängigkeit von dem Verhältnis der Scheibenlänge zur Wellenlänge wiedergibt.

Fig. 1 zeigt eine Rundstrahlantenne 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 Speisenhohlleiter, 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 Kegelstumpfen 1 und 2 in Höhe der Schnittlinien 4 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 F i g. 1 sind diese Schlitze parallel zur Achse des Speisehohlleiters. Die Schlitze können auch anders, nämlich vertikal, horizontal, oder schräg angeordnet sein, je nachdem, 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 Eo-, und im Fall einer Vertikalpolarisation ist er Hoi.

Im Falle des in F i g. 1 dargestellten Beispiels, bei dem die Schlitze vertikal sind, strahlt die beschriebene Antenne mit linearer, horizontaler Polarisation und der Hohlleiter 3 wird durch eine Welle vom Typ Eoi gespeist. Die Schiiize sind mit dem Hohl'eiter durch Radialsonden 12 gekoppelt, die an der Seite eines jeden Schlitzes liegen.

In Fig.3, die schematisch die Antenne der Fig. i zeigt, ist der Winkel zwischen einer Mantellinie des Kegelstumpfes 1 und der zugehörigen dielektrischen Scheibe 6 mit λ bezeichnet. Dieser Winkel wird im allgemeinen kleiner oder gleich 45° gewählt. Ohne die dielektrischen Scheiben 6 und 7 besäße das Strahlungsdiagramm der Antenne, die schematisch in F i g. 2 dargestellt ist und die nur aus den metallischen Kegelstümpfen 100 und 200 besteht, sehr große Nebenzipfel, wie dies aus der Kurve IV der Fig.5 ersichtlich ist. Um die Größe dieser Nebenzipfel zu beschränken, wäre es vonnöten, den Winkel α kleiner oder gleich 20° zu wählen. In diesem Fall wäre jedoch der Durchmesser der Antenne, gemessen entlang dem Durchmesser der Kegelstumpfbasis dreimal größer als der Durchmesser der Kegelstumpfbasis einer Antenne gemäß Fig. 1. Der Winkel <xi ein°s derartigen Kegelstumpfes sowie die Größe einer herkömmlichen Antenne ist aus Fig.2 ersichtlich. Die Kegelstümpfe erstrecken sich bis zu den Punkten A\, B\, A2 und Bi. In diese Fig. 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 Kegelstünipfe herauszustellen.

Die Korrektur oder Kompensation der Phasenfehler in der strahlenden öffnung der Antenne beruht auf dem Unterschied der Ausbreitung der Wellen in einer herkömmlichen bikonischen Antenne und im Falle der Erfindung der Wellenausbreitung in dem zwischen zwei dielektrischen Scheiben liegenden Antennenraum. Gemäß Fig.2, in der die dielektrischen Scheiben nicht dargestellt sind, kann der Phasenunterschied zwischen einem zentralen Strahl R 1 und einem zum Rand der strahlenden Öffnung verlaufenden Strahl beispielsweise zu dem nach Punkt A verlaufenden Strahl R 2 bestimmt werden.

Diese Phasenverschiebung kann ausgedrückt werden zentralen Achse OX, Xo die Länge der verwendeten Welle und a die Abmessung der strahlenden öffnung ist. In F i g. 2 ist auch der Winkel «ι dargestellt, der von einer Mantellinie des Antennenkonus und der Zentral-

■i achse OX eingeschlossen wird. Im allgemeinen ist der Winkel /J₁ größer als der Winkel α, und für einen Winkel «1, der größer als 30° ist, 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 bikonischen Antenne kann diese Bündelung verbessert werden, so daß sie sich dem

ία theoretischen Wert nähert.

Anhand von Fig.3 soll im 'olgenden bei einer Antenne gemäß der Erfindung der Phasenunterschied zwischen dem Strahl R 1 und dem Strahl R 2 bestimmt werden.

x=, Wie bei der vorausgegangenen Figur ist dt.· Strahl R 1 ein Zentralstrahl, der sich entlang der Achse OX ausbreitet, während der Strahl R 2 sieh durch die Scheibe 6 in dem Raum zwischen den Antennenkonen bis zum Rand A der strahlenden öffnung fortpflanzt.

jo Der Strahl R 2 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 bikonischen

jo Antenne ohne dielektrische Scheiben erfahren würde. Dagegen breitet sich der Strahl R 1 nahezu vollständig zwischen den beiden Scheiben aus. Aus diesem Grunde erfährt er eine Phasenverzögerung relativ zu dem Strahl Rl in dem Antennenaufbau der Fig. 2. Unter der Annahme, daß der Abstand zwischen den Scheiben von der Größenordnung einer Wellenlänge, angenommen / ^, ist, kann diese Phasenverzögerung in Abhängigkeit von der Ringbreite L der Scheiben errechnet werden.

Die Phasenverzögerung kann ausgedrückt werden

4> durch

= 2, L (J -

wobei die Hohlleiterwelienlängc t.g gegeben ist durch:

t.o
;.g =

^: -(-2T

Tt.o

TT

Tt. 0)

wobei jilt
I Φ' =

\ /. O 2 AO J AO \ 2 /

Es wird daran erinnert, daß für die Phasenverschiebung in der strahlenden Öffnung /4ßgilt:

I Φ =

2.7 sin // α

wobei fli der Winke! /wischen dem Strahl Rl und der Folglich wild die Ringbreite L so gewählt, daß ΔΦ = ΔΦ', um eine Kompensation der Phasenabwei-

chung zu erhalten.

Λ =

κ sin ,(

2 - 13

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

70/.«

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

Sei beispielsweise θι,ιιι = 20" und der Winkel β =■· 35", so erhält man L = 7.5Ao.

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

Fig. 4 zeigt die Phasenverteilung in der strahlenden öffnung. Die Kurve I zeigt die Phasenverteilung bei Abwesenheit der Scheiben, II zeigt die theoretische Kurve bei Vorhandensein der Scheibe und III zeigt die korrigierte Phasenverteilung, die im Falle der Erfindung erhalten wird.

F i g. 5 zeigt die Vertikaldiagramme, die mit einer herkömmlichen bikonischen Antenne 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 bikonischen Antenne erhalten wird. Das Diagramm V nähert sich dem theoretischen Diagramm.

In Fig.6 ist eine Kurve dargestellt, die die vertikale Breite des Diagrammes, d. h. Θμβ in Abhängigkeit von

dem Verhältnis ', wiedergibt, wobei /.die Ringbreite

der Scheibe Lind λο die Wellenlänge ist. Die Dielektrizitätskonstante e des für die Scheiben verwendeten Materials ist Parameter. Der optimale Scheibenabstand liegt zwischen 0,75 und 1,2 λο und die Scheibendicke c ist beispielsweise so gewählt, daß gilt:

K)

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

.i Blatt Zi'ic

Claims

_t Patentansprüche;

t, Rundstrahlantenne mit zwei metallischen Kegelstömpfen mit sich gegenüberstehenden Spitzen, einem axialen Speisehohlleiter, der die Antenne über Schlitze erregt, und mit parallel zur Basis der Kegelstümpfe angeordneten Kreisringscheiben, deren Ringbreite L so gewählt ist, daß die Phasendifferenz zwischen der Welle im zentralen Teil und der Welle im Randbereich der strahlenden öffnung sich verringert, dadurch gekennzeichnet,

a) daß genau zwei Kreisringscheiben (6, 7) vorgesehen sind,

b) daß die Kreisringscheiben (6, 7) aus dielektrischem Material bestehen und

c) daß die Kreisringscheiben (6, 7) eine solche Dicke e aufweisen, daß die Phasendifferenz zwischen der Welle im zentralen Teil und der We'le im Randbereich der strahlenden öffnung sich verringert
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der optimale Abstand zwischen den Scheiben (6, 7) zwischen dem 0,75fachen bis l,4fachen der verwendeten Wellenlänge ist.
3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Ringbreite einer der Scheiben (6,7) optimalerweise zwischen dem 5fachen bis lOfachen einer Wellenlänge liegt
4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, oß die Scheiben (6,7) unterschiedlich dick sind, wodurch das StrahJungsmaximum des Diagrammes um einige Winkelgrade auf die Seite der dünneren Scheibe verschober wird.