DE3503440A1 - Antennenanordnung zur erzielung isotropen rundstrahlverhaltens - Google Patents

Antennenanordnung zur erzielung isotropen rundstrahlverhaltens

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Hans-Jürgen Dipl.-Ing. 8000 München Steiner
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Airbus Defence and Space GmbH
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Messerschmitt Bolkow Blohm AG
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    • H01Q9/30Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole
    • H01Q9/42Resonant antennas with feed to end of elongated active element, e.g. unipole with folded element, the folded parts being spaced apart a small fraction of the operating wavelength
    • H01Q9/43Scimitar antennas

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Description

  • Antennenanordnung zur Erzielung
  • isotropen Rundstrahlverhaltens Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens. Ein Bedarf zum Einsatz derartiger Antennenanordnungen besteht beispielsweise bei Flugkörpern oder auch bei Raumflugkörpern bzw. Satelliten, etwa zu Telemetrie- und Lenkkommandoübertragungszwecken. Dabei wird vor allem verlangt, daß eine möglichst isotrope Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist und über einen weiten Raumwinkelbereich keine Einbrüche im Strahlungsdiagramm auftreten. Weiterhin soll die Antennenanordnung flexibel hinsicFhtlich der Verarbeitung verschiedener PolXarisationsarten und insbesondere für zirkular-polarisierte Strahlung auslegbar sein. Bei der Verwendung für Flugkörper oder Satelliten ergibt sich als besondere Forderung, daß die Antennenanordnung möglichst wenig Raum beanspruchen und eine hohe mechanische Stabilität bei geringem Gewicht besitzen soll.
  • Eine derartige Antennenanordnung, mit der ein weitgehend isotropes Rundstrahlverhalten erzielbar ist, wird in der Patentanmeldung P 33 28 115.7 beschrieben. Diese Antennenanordnung weist folgende konstruktive Merkmale auf: Einen Trägerkörper, der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente, die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten Antennenstab aufweisen. Dieser kann gerade, vorzugsweise zur Oberfläche parallel, oder gebogen sein. Die Strahlerelemente sind so am Trägerkörper angebracht, daß ihre durch die Längserstreckung der Antennenstäbe sowie deren Verbindungsstellen mit dem Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen in bezug auf die Vorwärtsstrahlrichtung geneigt sind.
  • Demnach sind am Umfang eines bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Trägerkörpers in regelmäßigen Winkelabständen gleichartige Strahlerelemente angebracht. Diese Strahlerelemente sollen nach dem an sich bekannten Prinzip der Transmission-Line-oder Scimitar-Antennen aufgebaut sein. Deren Antennenstäbe können entweder jeweils auf einer separaten, auf dem Trägerkörper leitend befestigten Basisplatte oder direkt auf dem Trägerkörper angebracht sein. Basisplatte bzw. Trägerkörper werden in diesem Zusammenhang im folgenden auch als Antennenbasis bezeichnet. Die Speisung eines derartigen Strahlerelements erfolgt gewöhnlich über ein Koaxialkabel, dessen Außenleiter mit der Antennenbasis und dessen Innenleiter nach isolierter Durchführung durch letztere mit dem Antennenstab leitend verbunden ist. Die Lage des Fußpunktes des Innenleiters auf dem Antennenstab hängt dabei in erster Linie von der Betriebswellenlänge und dem Abstand von der Antennenbasis ab. Das Strahlungsverhalten eines derartigen Strahlerelements ist durch zwei orthogonal zueinander polarisierte Wellen bestimmt. Die primäre Welle wird dabei im wesentlichen durch den den Spalt zwischen Antennenbasis und Antennenstab durchquerenden Innenleiter erregt, wobei sich eine parallel zum Innenleiter polarisierte Rundstrahlung ergibt, ähnlich der Strahlung eines Monopols. Die sekundäre Welle wird durch den Antennenstab erregt und ist parallel zu diesem polarisiert. Das gesamte räumliche Strahlungsdiagramm eines derartigen Strahlerelementes ergibt sich aus der Überlagerung dieser beiden Wellen, die in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung zum Auftreten von linearer bis zirkularer Polarisation beider Drehrichtungen führt.
  • Die einzelnen Strahlerelemente sind mit einer Phasenverschiebung zu speisen, die sich durch Division des Vollwinkels von 3600 durch die Anzahl der am Umfang insgesamt angeordneten Strahlerelemente ergibt. Insgesamt addieren sich diese bei einem Umlauf gleichgerichteten Phasenverschiebungen demnach zu 3600. Die Strahlerelemente sollen sämtlich im wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen besitzen. Aus der gewünschten Polarisation, d.h. links oder rechts zirkular, der Antennenanordnung folgt, mit welchem Drehsinn die Strahlerelemente zu speisen sind.
  • Bei der geschilderten Antennenanordnung mit geneigten Antennenstäben ergibt sich der Nachteil, daß eine Optimierung immer nur für einen Polarisations-Drehsinn vorliegen kann, entsprechend der Neigungsrichtung der Antennenstäbe. Bei Polarisationswechsel und damit verbundenem Wechsel des Drehfeldes der Speisung ergibt sich eine Verminderung der Isotropie im rückwärtigen Bereich.
  • Es entsteht somit die Aufgabe, eine Antennenanordnung der vorstehend geschilderten Art so zu modifizieren, daß der obige Nachteil beseitigt und ein gleichberechtigter und simultaner Betrieb mit rechts- und linkszirkularer Polarisation ermöglicht wird.
  • Diese Aufgabe ist dadurch gelöst, daß die Antennenstäbe der Strahlerelemente mit ihren Längsachsen jeweils parallel zur Symmetrieachse des Trägerkörpers orientiert sind.
  • Weitere vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
  • Eine Abstimmung des Strahlungsdiagramms kann dadurch ermöglicht werden, daß der Trägerkörper über die Strahlerelemente in Vorwärtsstrahlrichtung hinausragt.
  • Dies geschieht vorzugsweise um einen Betrag von einem Viertel bis der Hälfte der Betriebswellenlänge. Hierdurch wird vor allem die Isotropie der Strahlung verbessert.
  • Zum Zwecke der phasenverschobenen Speisung der Strahlerelemente wird zweckmäßig ein Hybridnetzwerk verwendet.
  • Die Verschaltung kann dabei derart gestaltet sein, daß das Hybridnetzwerk ausgangsseitig über HF-Leitungen mit den einzelnen Strahlerelementen verbunden ist. Dazu wird der Trägerkörper als Hohlkörper ausgebildet, so daß die HF-Leitungen, beispielsweise Koaxialkabel, in seinem Inneren verlaufen und durch seine Seitenwände hindurch mit den Strahlerelementen verbunden werden können.
  • Die Antennenanordnung soll flexibel hinsichtlich der beiden möglichen Drehrichtungen der zirkularen Polarisation sein. Daher wird das Hybridnetzwerk zweckmäßig eingangsseitig mit je einem Eingang für links- und rechtsdrehende Polarisation bzw. Phasenansteuerung ausgestattet. Bei einem derartigen Hybridnetzwerk mit zwei Eingängen besteht noch die Möglichkeit, auch eine simultane Einspeisung einer links- und rechtsdrehenden Welle vorzunehmen.
  • Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Abbildung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert.
  • Die in schematischer Weise in Seitenansicht dargestellte Antennenanordnung besteht im wesentlichen aus einem Trägerkörper 20 und vier Strahlerelementen 19.
  • Der Trägerkörper hat in seinem oberen, die Strahlerelemente 19 tragenden Teil kreiszylindrische Form und geht in einem anschließenden Ubergangsteil 22 in einen ebenfalls kreiszylindrischen Abschlußteil 23 mit erweitertem Querschnitt über. Der Trägerkörper 20 ist über seine ganze Länge als Hohlkörper ausgebildet und aus Metall, etwa Aluminium, gefertigt. Er besitzt eine Symmetrieachse 21, die in die Vorwärtsstrahlrichtung 15 der Antennenanordnung orientiert ist.
  • Die Strahlerelemente 19 sind hier vom Typ der sogenannten Transmission-Line-Antennen und bestehen im wesentlichen aus je einem metallischen Antennenstab 4, der über nahezu seine gesamte Länge in einem gewissen Abstand parallel zur Oberfläche des Trägerkörpers 20 geführt und mit dieser leitend verbunden ist. Die Speisung der Strahlerelemente 19 erfolgt jeweils über ein eigenes Koaxialkabel, welches aus dem Inneren des hohlen Trägerkörpers 20 kommend, durch eine entsprechende oeffnung in dessen Wand hindurchgeführt ist. Der Außenleiter ist mit der metallischen Wand des Trägerkörpers 20 in elektrischen Kontakt gebracht. Der Innenleiter mit der ihn umgebenden Isolierung ist durch eine dafür vorgesehene Öffnung in der Wand hindurchgeführt und zweckmäßig unter Schaffung eines guten elektrischen Kontaktes in eine Bohrung des Antennenstabes 4 eingesenkt. Der Anschluß des Koaxialkabels an die Strahlerelemente 19 kann auch mittels HF-Steckverbindungen erfolgen. Anstelle von Koaxialkabeln können auch andere HF-Leitungen verwendet werden.
  • Die Koaxialkabel der vier Strahlerelemente sind an die entsprechenden Ausgänge eines Hybridnetzwerkes angeschlossen. Die Speisung erfolgt mit jeweils 900 Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlerelementen, mit einem bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung beispielsweise rechtsdrehenden Drehfeld für eine bevorzugt zirkular rechtsdrehende Polarisationsrichtung.
  • Die dargestellte Antennenanordnung dient dem simultanen Betrieb von rechts- und linkszirkularer Polarisation.
  • Die Strahlerelemente 19 sind im gegenseitigen Abstand von jeweils 900 auf dem rotationssymmetrischen Trägerkörper~20 so angeordnet, daß die Antennenstäbe 4 parallel zu dessen Symmetrieachse 21 orientiert sind.
  • An den bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung 15 nach vorn orientierten, mit konstantem kreisförmigem Querschnitt ausgestatteten Teil des Trägerkörpers 20 schließt sich nach hinten ein Übergangsteil 22 mit sich aufweitendem kreisförmigem Querschnitt an, der im Längsschnitt eine doppelt gegensinnig gekrümmte, nämlich doppelt exponentiell geformte Außenkontur besitzt.
  • Diese Gestaltung trägt zur Diagrammformung bei.
  • Die von den Strahlerelementen 19 erzeugten Oberflächenströme fließen auf der Oberfläche des Trägerkörpers 20 und in Fortsetzung vermindert auf dem doppelt exponentiell geformten Übergangsteil 22. Diese Ströme erzeugen ihrerseits ein elektromagnetisches Feld, das mit dem primären Strahlungsfeld interferiert. Durch die Krümmung der Oberfläche entstehen allerdings keine bevorzugten Raumrichtungen für das interferierende Strahlungsfeld.
  • Infolgedessen bleibt das Strahlungsverhalten der Antenne im Winkelbereich OOL z ' 900 weitgehend erhalten (# = 0° ist mit der Vorwärtsstrahlrichtung 15 identisch). Für die rückwärts gerichtete primäre Strahlung wirkt der exponentiell geformte Ubergangsteil 22 als geometrisch optischer Schatten, der durch Veränderung des Abstandes zwischen den Strahlerelementen 19 sowie dem speziellen Verlauf des exponentiellen Überganges eingestellt werden kann. Wegen der besonderen Formgebung des Übergangsteils 22 entsteht kein gebeugtes Strahlungsfeld. Zur Verminderung der rückwärts gerichteten, kreuzpolaren Störstrahlung dient eine Wellenfalle 24 der radialen Tiefe ß /4 in dem an den Ubergangsteil 22 anschließenden Abschlußteil 23. Dieser weist wieder einen konstanten kreisförmigen Querschnitt mit allerdings vergrößertem Radius auf. Die Verminderung des krauzpolarenPegels im Winkelbereich 90° O- 1500 beträgt ca. 10 dB.
  • In Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge >ist die Antennenanordnung im vorderen Teil des Trägerkörpers 20 so dimensioniert, daß der Durchmesser des kreisförmigen Querschnitts sowie die Länge des nach vorn über die Strahlerelemente 19 hinausragenden Teils je ca.
  • bis A /2, die Gesamtlänge der Antennenanordnung ca.
  • 1,5# und der Durchmesser des kreiszylindrischen Abschlußteils 23 ca.A beträgt.
  • - Leerseite -

Claims (4)

  1. Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens Patentansprüche 1. Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens, mit einem Trägerkörper, der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehreren, am Umfang des Trägerkörpers in gleichmäßigem Winkelabstand voneinander angeordneten, mit Phasenverschiebung gespeisten Strahlerelementen, die jeweils einen an einer Seitejnit dem Trägerkörper elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten Antennenstab aufweisen, gemäß Patentanmeldung P 33 28 115.7, dadurch g e k e n n z e i c h n e t daß die Antennenstäbe (4) der Strahlerelemente (19) mit ihren Längsachsen jeweils parallel zur Symmetrieachse (21) des Trägerkörpers (20) orientiert sind.
  2. 2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Trägerkörper (20) einen bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) nach vorn orientierten, die Strahlerelemente (19) tragenden Teil mit konstantem, kreisförmigem Querschnitt sowie einen nach hinten daran anschließenden Ubergangsteil (22) mit sich erweiterndem kreisförmigem Querschnitt aufweist, der wiederum in einem anschließenden kreiszylindrischen Abschlußteil (23) ausläuft.
  3. 3. Antennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß der Übergangsteil (22) im Längsschnitt eine doppelt gegensinnig, vorzugsweise doppelt exponentiell gekrümmte Außenkontur besitzt.
  4. 4. Antennenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , daß im kreiszylindrischen Abschlußteil (23) eine durch eine ringförmige Ausnehmung der radialen Tiefe 1 /4 gebildete Wellenfalle (24) vorhanden ist.
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