DE4032891A1 - Spiralantennenanordnung - Google Patents

Description

Eine Spiralantenne enthält auf einem Träger zwei Stränge identischer Länge, die einander benachbart eingerollt sind, um eine Spiralgruppe zu bilden, wobei die untere Betriebsfrequenzgrenze in erster Näherung vom Außendurchmesser der Spiralgruppe abhängt.

Wenn man die Abstrahlung auf den Raum vor der Spirale begrenzen will, dann kann man die andere Seite des Trägers mit einer Kammer in Berührung bringen, die mit einem elektromagnetisch absorbierenden Material gefüllt ist. Wenn eine solche Antenne mit elektrischen Hochfrequenzsignalen in richtiger Weise versorgt wird, dann strahlt sie nur in den erwünschten Raumbereich in einem sehr breiten Frequenzbereich ab.

Es ist bereits vorgeschlagen worden, solche Antennen in Gruppen anzuordnen. Eine solcher Aufbau wirft jedoch Probleme im Betrieb auf, wie nachfolgend noch im Detail erläutert werden soll, die insbesondere aus den Eigenschaften der Gruppen resultieren und insbesondere sich dann ergeben, wenn ein sehr breites Betriebsfrequenzband angestrebt ist.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Lösung für dieses Problem anzugeben.

Ein Ziel der Erfindung besteht darin, eine Anordnung anzugeben, die mehrere, in einer Gruppe angeordnete Spiralantennen umfaßt und die in einem sehr breiten Frequenzband arbeiten kann, ohne daß der Gruppenaufbau die Betriebseigenschaften verändert.

Gemäß einem allgemeinen Merkmal der Erfindung enthält die vorgeschlagene Antennenanordnung auf einem Träger wenigstens zwei Strahlerelemente und ein Paar Versorgungsanschlüsse für elektrische Hochfrequenzsignale für jedes der Elemente; jedes von ihnen weist eine als Spirale ausgebildete Zone auf und wenigstens eine von ihnen besitzt eine Verlängerung der Stränge ihrer Spirale, die geometrische Eigenschaften aufweisen, die von denen der genannten Spirale verschieden sind.

Andere Vorteile und Eigenschaften der Erfindung gehen aus der nachfolgenden Beschreibung unter Bezugnahme auf die Zeichnungen hervor.

Fig. 1 und 2 zeigen sehr schematisch eine klassische, einzelne Spiralantenne;

Fig. 3 zeigt schematisch drei Spiralantennen, die in eine Anordnung gruppiert sind, die Betriebsprobleme aufwirft, und

Fig. 4 ist eine schematische Teildarstellung einer Ausführungsform der Erfindung.

Die Zeichnungen zeigen das Wesen von Elementen ganz bestimmter Art. Aus diesem Grunde bilden die Zeichnungen einen integralen Bestandteil der Offenbarung und sollen nicht nur zum besseren Verständnis der nachfolgenden Beschreibung dienen, sondern auch gegebenenfalls dazu beitragen, die Erfindung und ihre Merkmale zu definieren. Der Inhalt der Zeichnungen wird daher ausdrücklich zum Bestandteil der Offenbarung der Erfindung gemacht.

Wie schematisch in den Fig. 1 und 2 dargestellt ist, umfaßt eine gedruckte Spiralantenne auf einer Seite eines Trägers (beispielsweise eines Dielektrikums) SU zwei Metallstränge B1 und B2 gleicher Länge, die einander benachbart eingerollt sind, um eine Spirale SP zu bilden, die eigentlich eine Doppelspirale aus zwei ineinander angeordneten Spiralen ist. Mit anderen Worten, mit Ausnahme der Nachbarschaft der Strangenden befindet sich jeder Strangabschnitt zwischen zwei Abschnitten des anderen Strangs.

Es ist anzumerken, daß hier eine archimedische Spirale dargestellt ist, d. h. eine Spirale, in der jeder Strang eine konstante Dicke und einen konstanten Abstand zum anderen Strang hat. Es sind jedoch auch andere Spiralarten möglich, wie beispielsweise logarithmische Spiralen, bei denen ein Ausdehnungsmaß für die Breiten der Stränge vorgesehen ist und der Abstand zwischen ihnen zunimmt. Im Sinne der vorliegenden Beschreibung müssen daher die Ausdrücke "Spiralen" oder "Spiralantennen" in einem sehr breiten Sinne interpretiert werden, der alle Spiralarten abdeckt.

Eine solche Antenne kann in einem sehr breiten Frequenzband arbeiten, bei dem die oberste Frequenz beispielsweise vier Mal so hoch ist wie die unterste Frequenz. Die unterste Betriebsfrequenz F₁ wird dabei in erster Annäherung durch die folgende Formel bestimmt:

π . D = c/F₁ = λ₁,

wobei:
D der Außendurchmesser der Spirale SP ist,
c die Lichtgeschwindigkeit ist,
F₁ die untere Betriebsfrequenz ist, und
λ₁ die zur Frequenz F₁ gehörende Wellenlänge ist.

Eine Spiralantenne weist auch die Eigenschaft auf, daß sie in den vor der Spirale SP liegenden Raum ebenso gut abstrahlt, wie in den auf der anderen Seite, d. h. hinter dem Träger SU liegenden Raum. Wenn man diese Strahlung auf den vor der Spirale liegenden Raum einschränken möchte, dann kann man auf der Rückseite des Trägers eine Kammer CA anordnen, die mit einem Material gefüllt ist, das elektromagnetische Hochfrequenzwellen in einem breiten Frequenzband absorbiert.

Die Versorgung der zwei Stränge einer solchen Antenne erfolgt über zwei Drähte FI1 und FI2, die mit den beiden Enden der Stränge verbunden sind, die in der Mitte der Spirale liegen. Die Versorgung mit elektrischen Hochfrequenzsignalen erfolgt gewöhnlich mit Hilfe eines Koaxialkabels CO, das natürlich asymmetrisch ist, weil es einem Mittenleiter und einen Außenleiter enthält. Zur guten Funktion einer Spiralantenne ist jedoch wegen ihrer geometrisch symmetrischen Eigenschaften eine symmetrische Ansteuerung erforderlich, d. h. eine solche, die für die beiden Stränge identisch ist. Daher ist es notwendig, hinter der Kammer CA ein elektronisches Symmetrierglied SY vorzusehen, das diese Symmetrierung bewirkt. An dieser Stelle sei angemerkt, daß die zwei Drähte FI1 und FI2, die die das absorbierende Material enthaltende Kammer CA durchqueren, die Strahlung der Antenne nicht stören, weil diese in dem Rückraum der Antenne unterdrückt ist.

Um schließlich in vorteilhafter Weise von den sehr breitbandigen Betriebseigenschaften von Spiralantennen Gebrauch zu machen, ist vorgeschlagen worden, diese in Gruppen anzuordnen. Eine Lösung könnte darin bestehen, diese Spiralen Seite an Seite anzuordnen, wie dies schematisch in Fig. 3 dargestellt ist. Indessen befriedigt eine solche Lösung aus den nachfolgend genannten Gründen nicht.

Es ist bekannt, daß die gute Funktion einer Gruppe bei gegebener Frequenz sehr stark vom gegenseitigen Abstand der Einzelantennen abhängt, die die Gruppe bilden. Auch ist es für eine Wellenlänge λ entsprechend einer gegebenen Betriebsfrequenz notwendig, daß der Teilungsabstand p der Gruppe kleiner oder gleich der Hälfte dieser Wellenlänge ist. Wenn der Teilungsabstand p die Hälfte der Wellenlänge überschreitet, dann können im Strahlungsdiagramm der Gruppe Nebenkeulen auftreten, die gegenüber der erwünschten Hauptkeule der Gruppe versetzt sind und die Funktion der Gruppe stören.

Der Teilungsabstand p einer solchen Gruppe ist minimal, wenn die Spiralen einander derart benachbart sind, daß ihr jeweiliger Außendurchmesser D im wesentlichen gleich dem Teilungsabstand p ist. Bei der niedrigen Betriebsfrequenz F₁ entsprechend der Wellenlänge λ₁ nimmt der Teilungsabstand p, der übrigens gleich dem Durchmesser D ist, entsprechend der obengenannten Formel den Wert λ₁/π an. Es stellt sich daher bei dieser Frequenz keinerlei Problem im Betrieb, weil der Teilungsabstand p kleiner als λ₁/2 ist.

Wenn man jedoch diese Gruppe in einem sehr breiten Frequenzband arbeiten lassen möchte, das bis zu einer hohen Betriebsfrequenz F₂ reicht, die beispielsweise das Vierfache der unteren Betriebsfrequenz F₁ ist, dann erkennt man, daß der Teilungsabstand p, der gleich dem Produkt aus der Wellenlänge λ₂ entsprechend der Frequenz F₂ und dem Faktor 4/π ist. Die Funktion der Gruppe wird daher auf die Frequenz F₂ aufgrund der Anwesenheit einer Keule der Gruppe verändert, weil der Teilungsabstand p größer als λ₂ und folglich auch größer als λ₂/2 ist.

Die Erfindung schafft eine Lösung für dieses Problem.

Die Anmelderin hat in der Tat beobachtet, daß in einer Antennenanordnung, die mehrere (mindestens zwei) strahlende Elemente aufweist, die jeweils eine spiralig ausgebildete Zone aufweisen, es vorteilhaft ist, wenn wenigstens eine von ihnen eine Verlängerung der Stränge ihrer Spirale aufweist, die geometrische Eigenschaften hat, die von denen der genannten Spirale verschieden sind.

Ausgehend von dieser sehr allgemeinen Beobachtung hat die Anmelderin die vorliegende Erfindung in einer speziellen Ausführungsform konzipiert, die in Fig. 4 dargestellt ist.

In dieser Figur sind aus Vereinfachungsgründen nur die geometrischen Gestaltungen der Stränge der verschiedenen Spiralen dargestellt, wobei selbstverständlich ein Paar Versorgungsanschlüsse für elektrische Hochfrequenzsignale für jedes der strahlenden Elemente dieser Gruppe vorgesehen ist.

Diese Gruppe soll ausgehend von einer niedrigen Frequenz F₁ funktionieren, so daß die Länge der zwei Stränge eines jeden strahlenden Elements der Gruppe, die für alle strahlenden Elemente gleich ist, so bemessen ist, daß eine einzelne Spiralantenne, die von diesen zwei Strängen gebildet wird, einen Außendurchmesser D hat, der den Betrieb bei dieser niedrigen Frequenz F₁ ermöglicht.

Weil die Gruppe in einem sehr breiten Frequenzband arbeiten soll, das bis zu einer hohen Frequenz F₂ reicht, die beispielsweise das Vierfache der unteren Frequenz ist, wählt man einen Teilungsabstand p2 für die Gruppe, der im wesentlichen kleiner und vorzugsweise gleich der Hälfte der Wellenlänge λ₂ bei der Frequenz F₂ ist. Die zwei Stränge eines jeden strahlenden Elements der Gruppe sind einander benachbart derart eingerollt, daß sie eine spiralförmige Zone bilden, die einen Außendurchmesser D2 hat, der im wesentlichen gleich dem Teilungsabstand p2 ist. Alle diese spiralförmigen Zonen SP1 bis SP7 sind daher nebeneinander auf dem Substrat derart angeordnet, daß sie eine Reihe bilden.

Der Längenüberschuß der Stränge B1i und B2i eines strahlenden Elements ist auf der freien Oberfläche der Substrats angeordnet und bildet eine Verlängerung PB1i und PB2i, die andere geometrische Eigenschaften hat, als die der entsprechenden Spirale SPi.

Bei diesem Beispiel verlassen die zwei Stränge PB1i und PB2i der Verlängerung der Spirale SPi diese hinter diametral einander gegenüberliegenden Punkten und laufen um alle Zonen SP1 bis SP7 der strahlenden Elemente in gleichem Drehsinn wie die Spiralen. Anders ausgedrückt, alle Stränge aller Verlängerungen laufen einander benachbart um die Reihe der spiralförmigen Zonen herum, um einen Umfangskranz zu bilden, der die Spiralen SP1 bis SP7 vollständig umschließt.

Eine solche Gruppe arbeitet auf diese Weise bei der hohen Frequenz F₂ richtig, weil der Teilungsabstand für diese Frequenz in geeigneter Weise bestimmt ist. Sie arbeitet auch bei allen anderen Frequenzen bis zur unteren Frequenz F₁ richtig, weil der Teilungsabstand p2, der für die hohe Frequenz F₂ berechnet worden ist, beachtlich unter der Hälfte der Wellenlänge bei der unteren Betriebsfrequenz F₁ liegt.

Es ist auch anzumerken, daß der Strahlungsbeitrag dieser Antennenanordnung hauptsächlich von den Spiralen SPi geliefert wird, soweit dies die hohe Betriebsfrequenz betrifft, während bei der unteren Betriebsfrequenz die Umfangskrone CP hauptsächlich zur Strahlung beiträgt.

Es kann weiterhin vorteilhaft sein, daß die Leitungen dieser Umfangskrone CP teilweise oder vollständig von einem Material bedeckt sind, das bei Höchstfrequenzen Verluste aufweist, wie beispielsweise Ferritmaterial. In diesem Falle nehmen die Leitungen dieser Krone nicht direkt an der Strahlung im unteren Frequenzbandteil, weil sie die elektromagnetische Welle bei ihrem Lauf durch diese Leitungen dämpfen. Im Gegensatz dazu erlauben diesen Leitungen, das Betriebsverhalten im niedrigen Frequenzband beachtlich zu verbessern, indem sie eine Rückausbreitung der elektromagnetischen Wellen in der Spirale durch Reflexion derselben am Ende der Strangs in hohem Umfang beseitigen.

Man kann auch diese Strahlung im unteren Frequenzband durch eine geeignete Anbringung von Verlustmaterial beeinflussen, wobei zu beachten ist, daß diese Strahlung im unteren Frequenzbereich sich auch zu einem geringen Teil in Höhe der Spiralen SPi zeigt und dies praktisch ohne Störung.

Die Erfindung ist nicht auf die hier beschriebene Ausführungsform beschränkt, sondern umfaßt alle vom Rahmen der Ansprüche umrissenen Varianten.

So kann beispielsweise die Verlängerung der Spiralstränge in der Ebene derselben oder außerhalb dieser Ebene angeordnet sein. Auch kann im einen und/oder anderen Fall diese Verlängerung um die genannten Spiralen herumlaufen oder nicht herumlaufen.

Zuvor sind die Spiralen alle in ihrer Ebene in gleicher Winkelkonfiguration beschrieben worden. Der Fachmann weiß, daß es möglich ist, die Phase einer Spiralantenne zu verändern, indem er auf diese Winkelkonfiguration einwirkt. Eine solche Betrachtung ist auch auf die vorliegende Erfindung anwendbar.

Es versteht sich, daß manche der oben beschriebenen Mittel bei Ausführungsformen weggelassen werden, bei denen sie keinen Beitrag liefern.

Claims (12)

1. Antennenanordnung, dadurch gekennzeichnet, daß sie auf einem Träger (SU) wenigstens zwei strahlende Elemente und ein Paar Versorgungsanschlüsse für elektrische Hochfrequenzsignale für jedes dieser Elemente aufweist, und daß jedes dieser zwei Elemente eine spiralförmige Zone (SPi) aufweist, von denen wenigstens eine eine Verlängerung (PB1i, PB2i) ihrer Spiralstränge aufweist, die andere geometrische Eigenschaften haben, als die der Spirale.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß jedes Element eine Verlängerung seiner Spiralstränge aufweist, die andere geometrische Eigenschaften aufweisen, als die dieser Spirale.

3. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsabstand (p2) der Spiralen deutlich kleiner oder gleich der Hälfte der Wellenlänge bei der oberen Betriebsfrequenz der Anordnung ist.

4. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die jeweiligen Außendurchmesser (D2) der Spiralen im wesentlichen gleich sind.

5. Anordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Teilungsabstand im wesentlichen gleich dem Außendurchmesser der Spiralen ist.

6. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die genannte Verlängerung um die spiralförmigen Zonen der strahlenden Elemente im gleichen Sinn wie die genannten Spiralen umlaufen, wobei die zwei Stränge dieser Verlängerung miteinander eine Umfangskrone (CP) bilden.

7. Anordnung nach den Ansprüche 2 und 6 in Kombination miteinander, dadurch gekennzeichnet, daß alle Stränge aller Verlängerungen einander benachbart umlaufen, um die genannte Umfangskrone auszubilden, die die Spiralen vollständig umschließt.

8. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie mehrere strahlende Elemente enthält, deren spiralförmige Zonen eine Reihe bilden.

9. Anordnung nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß alle Spiralen der strahlenden Elemente der genannten Reihe die gleiche Winkelkonfiguration aufweisen.

10. Anordnung nach einem der Ansprüche 6 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die zwei Verlängerungsstränge einer Spirale die genannte Spirale an diametral einander gegenüberliegenden Punkten der Spirale verlassen.

11. Anordnung nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge aller Stränge aller strahlenden Elemente im wesentlichen gleich ist und in Abhängigkeit von der unteren Betriebsfrequenz der Anordnung bestimmt ist.

12. Anordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß wenigstens eine Verlängerung der Stränge wenigstens teilweise von einem Material bedeckt ist, das bei Höchstfrequenz Verluste aufweist.