DE3031608A1

DE3031608A1 - Zick-zack-antenne

Info

Publication number: DE3031608A1
Application number: DE19803031608
Authority: DE
Inventors: Gerald Wayne Quincy Ill. Collins
Original assignee: Harris Corp
Current assignee: Harris Corp
Priority date: 1979-08-29
Filing date: 1980-08-21
Publication date: 1981-03-19
Also published as: US4250509A; GB2058471B; GB2058471A

Description

Zi ck-Zack-Antenne

Die Erfindung betrifft eine Zick-Zack-Antenne entsprechend denn Oberbegriff des Anspruches 1 .

Zick-Zack-Antennen sind bekannt und werden vor allem zur Abstrahlung von elektromagnetischer Energie im UHF-Frequenzband verwendet. Eine übliche Zick-Zack-Antenne besteht normalerweise aus einem massiven oder rohrförmigen Leiter, der zick-zack-förmig gebogen und über einem plattenförmigen Reflektor angeordnet ist. Antennen dieser Art sind in den US-PS 2 759 183, 3 369 246, 3 3 75 525 und 4 087 824 beschrieben. Obwohl diese Antennen bestimmte konstruktive Unterschiede haben, haben sie eine gemeinsame Charakteristik, nämlich dass diese Antennen horizontal polarisierte elektromagnetische Energie abstrahlen .

Der Vorteil der Abstrahlung oder des Empfangs kreisförmig polarisierter Signale im Gegensatz zu horizontal polarisierten Signalen ist seit langem bekannt. So können zum Beispiel Geistereffekte infolge von Reflexionen des ursprünglich gesendeten Signals durch Verwendung kreisförmig polarisierter Signale beseitigt werden.

Eine kreisförmig polarisierte Sendeantenne für das UHF-Frequenzband unter Verwendung einer Zick-Zack-Antenne ist in einem Artikel von Andrew Alford in "IEEE Transactions on

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Broadcasting, Vol. BC-24, Nr. 8, Juni 1978" beschrieben. Bei dieser Antenne sind die Zick-Zack-Elemente wiederum für den üblichen Zweck verwendet, nämlich die Erzeugung eines horizontal polarisierten elektromagnetischen Signals. In Verbindung mit den Zick-Zack-Elementen sind jedoch andere Antennenelemente verwendet, deren Zweck es ist, ein vertikal polarisiertes Signal mit 90 Phasenverschiebung zum horizontalen Signal zu erzeuger Dies ergibt ein kreisförmig polarisiertes Signal im Strahlfeld.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine kreisförmig polarisierte Sendeantenne mit einfacherem Aufbau gegenüber den bekannten Antennen und vereinfachter Speiseeinrichtung unter Verwendung eines Zick-Zack-Leiterelementes zu schaffen, um beide linear polarisierten Komponenten der kreisförmig polarisierten elektromagnetischen Energie abzustrahlen.

Gelöst wird diese Aufgabe gemäss der Erfindung durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches 1 angegebenen Merkmale. Zweckmässige Ausgestaltungen der Erfindung ergeben sich aus den Unteransprüchen.

Die kreisförmig polarisierte Zick-Zack-Antenne ist ähnlich einer üblichen Zick-Zack-Antenne, jedoch mit der Ausnahme, dass die verschiedenen linearen Segmente des gebogenen Leiters, der die Zick-Zack-Antenne bildet, jeweils eine Länge von 1/4 der Wellenlänge statt 1/2 der Wellenlänge wie bei den bekannten Antennen haben, und dass jedes übernächste lineare Segment mit dem nächstfolgenden Segment über eine L/2-Verzögerungsleitung verbunden ist. Um eine zentrale Speisung zu erreichen, hat die Antenne zwei in

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Längsrichtung benachbarte Strahlungselemente, deren benachbarte Enden über eine weitere L/2-Verzögerungsleitung verbunden sind.

Die Erfindung wird nachstehend anhand der Fig. 1 bis 3 beispielsweise erläutert.

Es zeigt:

Fig. 1 eine Aufsicht der kreisförmig polarisierten Zick-Zack-Antenne,

Fig. 2 eine Seitenansicht der Antenne in Fig. 1, und

Fig. 3 einen Querschnitt eines quadratischen Turms mit einer Antenne wie in den Fig. 1 und 2 an jeder Stirnseite.

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Die Fig. 1 und 2 zeigen eine Aufsicht bzw. eine Seitenansicht der kreisförmig polarisierten Zick-Zack-Antenne. Obwohl die Antenne allgemein als Sendeantenne beschrieben wird, kann sie selbstverständlich auch als Empfangsantenne verwendet wenden.

Die Antenne hat obere und untere Strahlungselemente 10 und 12 aus einem HF-Leiter wie einem Kupferdraht, die an einer gemeinsamen Speisestelle 14 verbunden sind. Die Strahlungselemente 10 und 12 sind über einen Plattenreflektor 16 durch geeignete Stützen 18 angeordnet. Der Reflektor 16 kann von üblicher massiver oder gitterförmiger Konstruktion, vorzugsweise letzterer, sein, um die Windlast der Antenne zu verringern. Die Grosse des Reflektors ist nicht extrem kritisch. Der Reflektor hat vorzugsweise eine Breite von etwa L/2, wobei L die mittlere Betriebswellenlänge der Antenne ist, und eine etwas grössere Länge als die Strahlungselemente.

Jedes der Strahlungselemente 10 und 12 besteht aus mehreren vorzugsweise linearen Segmenten 20, von denen jedes eine Länge von L/4 hat. Verzögerungsleitungen 22 sind an jeder zweiten Verbindung zwischen den verschiedenen Segmenten 20 angeordnet. Bei einer bevorzugten Ausführungsform liegen alle Elemente 20 in einer gemeinsamen Ebene, die etwa parallel zum Reflektor 16 verläuft, und sind von dieser durch die isolierenden Stützen 18 um etwa L/8 entfernt. Die Anzahl der Segmente der oberen und unteren Strahlungselemente wird entsprechend dem gewünschten Antennengewinn gewählt.

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Jedes der Segmente 20 verläuft zu den benachbarten Segmenten schräg unter einem Winkel A. Bei der gezeigten Ausführungsform beträgt der Winkel 90 , so dass die Antenne für beide orthogonalen linearen Polarisationen gleich empfindlich ist, d.h., die Antenne ist kreisförmig polarisiert. Die Zu- oder Abnahme des Winkels A macht die Antenne für eine bestimmte lineare Polarisation mehr empfindlich, so dass sie elliptisch polarisiert wird.

Zum Verständnis der Arbeitsweise dieser Antenne werden zunächst die Segmente U1 und U2 des oberen Strahlungselementes 10 nahe dem Speisepunkt 14 betrachtet. Das Element U1 strahlt ein elektromagnetisches Signal ab, das räumlich orthogonal zu dem elektromagnetischen Signal verläuft, das von dem Element U2 abgestrahlt wird, und zwar aufgrund der orthogonalen Richtung dieser beiden Segmente. Die beiden elektromagnetischen Signale, die von den Elementen U1 und U2 abgestrahlt werden, verlaufen auch bezüglich der Phase orthogonal, da das Element U1 die Speisung des Elementes U2 aufgrund seiner Länge von L/4 im wesentlichen um 90 verzögert. Die Elemente U1 und U2 strahlen damit Signale ab, die räumlich und phasenmässig zueinander orthogonal sind. Das sich ergebende zusammengesetzte Signal ist daher kreisförmig polarisiert. In gleicher Weise strahlen die nächsten beiden Elemente U3 und U4 ein kreisförmig polarisiertes Signal ab, ebenso wie jedes weitere Paar direkt verbundener orthogonaler Segmente.

Die Notwendigkeit für die Verzögerungsleitungen 22 ergibt sich aus der Tatsache, dass die entsprechenden Teile der Elemente U1 und U3 um 180 phasenverschoben wären, wenn die Verzögerungsleitung 22 nicht vorhanden wäre. Das von den Elementen U1 und U2 abgestrahlte Signal wäre daher zu dem von den Elementen U3 und

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U4 abgestrahlten Signal um 180 phasenverschoben. Dies würde eine Strahlung unterdrücken, so dass sich kein breitseitiger Strahl ergeben würde. Durch die L/2-Verzögerungsleitungen 22 zwischen jedem Paar von Segmenten wird jede Stelle längs eines Segmentpaares um genau eine Wellenlänge gegenüber der entsprechenden Stelle jedes benachbarten Paares phasenverschoben. Die abgestrahlten Signale sind daher phasensynchron zueinander und verstärken einander, statt einander aufzuheben, so dass sich ein breitseitiger Strahl ergibt. Um eine enge räumliche Beziehung zwischen jedem Paar von Segmenten beizubehalten, sind die Verzögerungsleitungen 22 gefaltet. Die benachbarten Enden der du^ch die Verzögerungsleitungen verbundenen Segmente liegen daher dicht beieinander. Die Verzögerungsleitungen 22 sind aus der Ebene der Strahlungselemente nach hinten gebogen und verlaufen nahe dem benachbarten Reflektor 16, so dass sie jede Abstrahlung unterdrücken.

Um die richtige Phasenbeziehung zwischen den von den oberen und unteren Strahlungselementen 10 und 12 abgestrahlten Signalen aufrechtzuerhalten, ist das untere Strahlungselement 10 mit der Speisestelle 14 durch eine weitere L/2-Verzögerungsleitung 24 verbunden, und das erste Segment L1 des unteren Strahlungselementes 12 verläuft parallel zum ersten Element U1 des oberen Strahlungselementes 10. Die Verzögerungsleitung 24 verläuft unmittelbar an dem Reflektor 16, so dass wiederum jede Abstrahlung verhindert wird. Es wäre auch möglich, zur Speisung der oberen und unteren Strahlungselemente ein L/2-Hybridelement zu verwenden. Bei einer derartigen Ausbildung sind verschiedene Stellen des Elementes L1 um 360 bzw. eine Wellenlänge gegen-

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über entsprechenden Stellen längs des Elementes U1 phasenverschoben. Es ergibt sich somit die gewünschte Phasensynchronisierung bei den abgestrahlten Signalen.

Zur Speisung der Antenne ist die Speisestelle 14 mit dem Innenleiter eines koaxialen Speisekabels verbunden, während dessen Aussenleiter mit dem elektrisch leitenden Reflektor 16 verbunden ist.

Wie gezeigt, strahlt die Antenne rechtsgängig polarisierte elektromagnetische Energie ab. Die Antenne kann auch so aufgebaut sein., dass sie linksgängig kreisförmig polarisierte elektromagnetische Energie abstrahlt, wozu nur die Anfangsrichtung eines jeden Strahlungselementes geändert werden muss. Gesehen in Fig. 1 würden die Elemente U1 und L1 somit statt nach rechts, wie gezeigt, nach links weisen.

Gegebenenfalls können mehrere Antennen wie die Antenne der Fig. 1 und 2 zu einer gemeinsamen Turmkonstruktion verbunden und über ein Energieteilernetzwerk gespeist werden. Wie Fig. 3 zeigt, kann dabei eine Antenne 26 mit jeder der Stirnseiten 28 eines Turms 30 mit quadratischem Querschnitt verbunden werden. Wenn die vier Antennen dieses Turms gleichmässig mit Energie versorgt werden, ergibt sich ein Rundstrahldiagramm. Eine ungleiche Energieverteilung an den Seiten des Turms kann für Richtdiagramme verwendet werden. Ausserdem können die Türme üblicherweise übereinandergestapelt werden, um vertikale Richtdiagramme zu erhalten. Die Speisung der verschiedenen Türme kann dann in üblicherweise zur Strahlschwenkung und Verhinderung von Nullstellen eingestellt werden. Eine Enteisung der Antenne kann

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- 11 ebenfalls durch bekannte Methoden erreicht werden.

Die beschriebene Zick-Zack-Antenne ist somit so ausgebildet, dass kreisförmig polarisierte elektromagnetische Energie abgestrahlt werden kann. Hilfsantennenelemente zur Abstrahlung einer der beiden Konnponenten des kreisförmig polarisierten Signals sind nicht notwendig, da die Zick-Zack-Antenne selbst beide horizontalen und vertikalen Komponenten des kreisförmig polarisierten Signals erzeugt. Dies vereinfacht die Speiseanordnung der Antenne, da nur eine einzige Antenne statt zwei oder mehr Antennen gespeist werden muss. Die Antenne kann mit einem oder mehreren Antennentürmen verbunden werden, um einen höheren Gewinn, eine höhere Richtcharakteristik usw. zu erreichen.

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Leerseite

Claims

PATENTANSPRÜCHE

1 . Zick-Zack-Antenne, bestehend aus wenigstens einem zickzack-förmigen Leitereiement, das sich aus mehreren Segmenten zusammensetzt, dadurch gekennzeichnet, dass jedes der Segmente (20) eine Länge von L/4 hat, wobei L die mittlere Betriebswellenlänge der Antenne ist, dass die Segmente endweise zickzack-förmig angeordnet sind, dass jedes Segment an einem Ende direkt mit dem benachbarten Ende eines benachbarten Segmentes und am anderen Ende indirekt mit dem benachbarten Ende des anderen benachbarten Segmentes über eine im wesentlichen nicht abstrahlende L/2-Verzögerungsleitung (22) verbunden ist, und dass jedes Segment zu dem benachbarten Segment räumlich schräg und phasenmässig orthogonal verläuft, so dass die Antenne kreisförmig polarisierte elektromagnetische Energie abstrahlt oder empfängt.

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Bayerische Vereinsbank München, Kto.-Nr. 882495 (BLZ 700202 70) · Deutsche Bank München, Kto.-Nr. 82/08050 PLZ 700 70010)

Postscheckamt München,Kto.-Nr. 163397-802 (BLZ 70010080)

ORIGINAL INSPECTED
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die L/2-Verzögerungsleitung (22) aus einem L/2-Leiter besteht, der so gefaltet ist, dass seine Enden dicht beieinander liegen, und dass jedes Ende der Verzögerungsleitung (22) mit einem entsprechenden Ende eines benachbarten Segmentes (20) verbunden ist.
3. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen Reflektor (16), der mit Abstand von dem Zick-Zack-Element (10, 12) angeordnet ist, um eine Richtwirkung bezüglich der abgestrahlten oder empfangenen Energie zu bewirken.
4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Reflektor (16) im wesentlichen eben verläuft, und dass alle Segmente (20) des Elementes (10, 12) in einer gemeinsamen, zu dieser Ebene parallelen Ebene liegen.
5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Verzögerungsleitung nahe dem Reflektor (16) verläuft.
6. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine Einrichtung zur Speisung wenigstens eines zick-zack-förmigen Elementes (10, 12) mit elektromagnetischer Energie.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, dass bei zwei zick-zack-förmigen Leiterelementen (10, 12) eine Einrichtung zur Speisung der beiden Zick-Zack-Elemente an deren benachbarten Enden mit elektromagnetischer Energie vorgesehen ist, deren den Zick-Zack-Elementen zugeführte Energie

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eine solche Phasenbeziehung hat, dass die beiden Elemente im wesentlichen phasensynchron sind.
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 1, dadurch gekennzeichnet, dass jedes Segment (20) zu den benachbarten Segmenten räumlich orthogonal verläuft.
9. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass das Segment (20) am benachbarten Ende des ersten Elementes im wesentlichen parallel zum Segment am benachbarten Ende des zweiten Elementes verläuft, und dass die benachbarten Enden über eine im wesentlichen nicht abstrahlende L/2-Verzögerungsleitung (24) verbunden sind.

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