DE4219582A1 - Antenne mit absorbierendem Randbereich - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft Antennen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Als Richtantennen, insbesondere als Empfangsantennen für den Satellitenempfang, sind Antennen bekannt, bei denen die empfangenen Wellen durch einen Reflektor gesammelt werden. Ähnlich werden bei Sendeantennen die von einem Punkt ausgehenden Wellen durch einen Reflektor möglichst parallel in die Umgebung abgestrahlt.

Die Richtcharakteristik wird dabei aufgrund der Gesetze der Wellenoptik auch durch die Größe und Form des Randes bestimmt. Wellen am Randbereich werden gebeugt und in unerwünschte Richtungen gestreut. Das kann zu unerwünschten Interferenzen führen. Dieser Störeffekt tritt vor allem dann auf, wenn bei einer Empfangsantenne aufgrund des Randbereichs auch reflektierte Wellen aus der Umgebung der Antenne auf die Empfangselektrode fallen. Dann wird das Hauptsignal mit einem möglicherweise stark phasen­ verschobenem Signal gemischt, so daß zusätzlich zu der gewünschten Information ein zeitlich verschobenes Signal empfangen wird. Bei einem Fernsehsignal macht sich dieses Signal z. B. durch ein zweites verschobenes Bild bemerkbar.

Um störende Interferenzerscheinungen zu verringern, wur­ de von Edward Joy vom Georgia Institute of Technology eine Antenne entwickelt, die am Rand und zum Rand hin spitz zulaufende Einschnitte aufweist (P. M., Peter Moosleitners interessantes Magazin 3/1992, Seite 102). Durch einen derartigen gezackten Rand nimmt das Reflexionsvermögen aufgrund der kleiner werdenden Reflexionsflächen zum Rand hin ab. Das bedeutet, die Beugung, die sich bei den vorhergenannten Antennen vor allem in radialen Richtungs­ änderungen auswirkt, wird stark vermindert. Bei Antennen mit gezacktem Rand muß jedoch aufgrund des Huygenschen Prinzips eine Beugung an den Einschnitten erwartet werden, die zu einer neuen Empfindlichkeit in Umfangsrichtung führt. Das Problem der Interferenzen wird also nur auf andere Rich­ tungskomponenten der interferierenden Wellen verschoben.

Aufgabe der Erfindung ist, es eine Antenne zu schaffen, bei der der Anteil der reflektierten Wellen zum Randbereich des Reflektors kontinuierlich gegen Null geht und bei der die Beugungseffekte mit den dadurch bedingten Interferenzen minimal werden.

Die Aufgabe wird durch Antennen gemäß dem Anspruch 1 gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den abhängigen Unteransprüchen angegeben.

Erfindungsgemäß hat eine Antenne am Rand des Reflektors einen absorbierenden Bereich. Die Wirkungsweise einer er­ findungsgemäßen Antenne wird verständlich, wenn eine Sende­ antenne betrachtet wird. Aufgrund des absorbierenden Randes werden die vom Sendedipol ausgesandten Wellen nicht an einem scharfen Rand gebeugt, da das Reflexionsvermögen erfindungsgemäß kontinuierlich bis zum Rand hin abnimmt. Dadurch entsteht nur eine geringere Streuung der Wellen am Rand. Während jedoch die beschriebene Antenne mit gezacktem Rand auch Wellen auf die Rückseite des Reflektors beugt, werden diese bei einer erfinderischen Antenne absorbiert.

Aufgrund des Reziprozitätssatzes läßt sich aus dem Verhalten der Sendeantenne sofort die Richtcharakteristik einer Empfangsantenne ableiten. Während die Antenne mit gezacktem Rand auch für von der Rückseite kommende Wellen empfindlich ist, ist die erfindungsgemäße Antenne gegen diese Wellen unempfindlich. Bei der erfindungsgemäßen An­ tenne sind die Interferenzen aufgrund in der Umgebung reflektierter Wellen mit großer Phasendifferenz deshalb stark reduziert.

Der Randbereich sollte, um wellenoptisch wirksam zu sein, eine Breite in der Größenordnung einer Wellenlängen haben. Damit aber nicht zu viel Intensität aufgrund der Absorption verlorengeht, sollte der absorbierende Randbereich nicht über zu breit sein. Aus diesen Gründen ist es zweckmäßig den absorbierenden Rand nur innerhalb eines Bereichs von einer halben bis zu drei Wellenlängen und vorzugsweise innerhalb von ein oder zwei Wellenlängen auszubilden.

Die Erhöhung der Absorption zum Rand der Antenne hin kann durch spezielle Beschichtungen erfolgen. Oder aber man läßt durch Schlitze oder Löcher einen Teil der auf den Reflektor fallenden Wellen auf einen zweiten Reflektor fallen. Zwischen dem ersten und zweiten Reflektor besteht ein Hohlraum, in dem die einfallenden Wellen absorbiert werden können.

Durch Schlitze und Löcher ergibt sich allerdings kein kontinuierliche Absorptionsverhalten am Rand. Jedoch können die Abmessungen von Löchern und Schlitzen immer genügend klein gegenüber der Wellenlänge gewählt werden, so daß eine quasikontinuierliche Absorption je nach praktischen Anfor­ derungen durch Wahl der Loch- bzw. Schlitzabmessungen ausgebildet werden kann.

Die vom zweiten Reflektor zurückgeworfenen Wellen werden durch die Löcher und Schlitze aus dem Hohlraum auch wieder zurückgeworfen. Um die Absorption so effektiv wie möglich zu machen, ist es zweckmäßig, den Abstand zwischen den beiden Reflektoren so zu wählen, daß sich die vom ersten und vom zweiten Reflektor ausgehenden Wellen gegeneinander aufheben, d. h. mit einer Phasendifferenz von 180° addieren. Dann ist der Abstand zwischen beiden Reflektoroberflächen zweckmäßigerweise ein Viertel der Wellenlänge.

Relative Phase und Amplitude der vom zweiten Reflektor stammenden Welle können auch auf die auf den ersten Reflektor fallenden Welle elektrisch abgestimmt werden. Dazu wird ein Teil des durch die auf den ersten Reflektor fallende Welle entstehenden Potentials über einen Schalt­ kreis auf den zweiten Reflektor geleitet. Der zweite Reflektor strahlt dann einen zusätzlichen Teil der Welle wieder zurück. Durch eine Phasen- und Amplitudeneinstellung des Schaltkreises läßt sich also eine genaue Anpassung des Absorptionsverhaltens bewirken. Durch Einstellung des Absorptionsgrades wird dann auch die Richtungsabhängigkeit für Störwellen beeinflußt. Diese Ausführungsform ermöglicht also ein nachträgliches Abgleichen auf verschiedene inter­ ferierende Quellen, da Verlauf und Größe der Absorption auch die Richtungsabhängigkeit der Antenne für Störsignale aus der Umgebung beeinflußt.

Phase und Amplitude lassen sich im Schaltkreis vor­ zugsweise über kapazitive Elemente einstellen. Statt Kondensatoren sind dabei vor allem Kapazitätsdioden zweckmäßig, da dann eine Einstellung des Phasen- und Amplitudenverhaltens von einer von der Antenne entfernten Position über die an den Dioden anliegenden Gleichspan­ nungen möglich ist. Der Schaltkreis sollte an oder sehr nahe bei der Antenne angeordnet sein, während die Nähe des Einstellenden bei der Antenne selbst wieder Störungen verursachen kann.

Für das Einstellen der Antenne gegen Interferenzquellen aus verschiedenster Richtung ist es vorteilhaft, wenn die Antenne für verschiedene Raumbereiche unabhängig einstell­ bar ist. Dazu wird der Randbereich der Antenne zweck­ mäßigerweise in verschiedene Sektoren unterteilt, die dann getrennt für die Minimierung der Interferenzsignale abge­ glichen werden können.

Um die Vorteile der erfindungsgemäßen Antenne auch bei schon in Gebrauch befindlichen Antennen verfügbar zu machen, ist es möglich, Module herzustellen, die auf den Rand schon existierender Antennen aufgesteckt und dort be­ festigt werden können.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich auch im Zusammenhang mit den nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Ansprüchen und der Zeichnung. Es zeigen:

Fig. 1 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Antenne mit sich nach außen erweiternden Schlitzen;

Fig. 2 eine Vorderansicht einer erfindungsgemäßen Antenne, bei der der absorbierende Randbereich durch eine Vielzahl von Löchern unterschiedlicher Größe ausge­ bildet ist;

Fig. 3 einen Schnitt durch eine Antenne nach Fig. 1 entlang der Linien A-A;

Fig. 4 einen Schnitt durch eine andere Ausführungsform, wie Fig. 3, jedoch mit einer Abgleichmöglichkeit bezüglich des Absorptionsverhaltens;

Fig. 5 eine Darstellung eines Abgleichschaltkreises wie er bei einer Antenne gemäß Fig. 5 eingesetzt werden kann;

Fig. 6 eine Darstellung eines Moduls zum Aufstecken auf herkömmliche Antennen zur Verbesserung des Inter­ ferenzverhaltens.

Im folgenden wird nur von Empfangsantennen gesprochen. Es versteht sich von selbst, daß für Sendeantennen das gleiche gilt, nur daß die Einfallrichtung bei Sendeantennen durch die Ausfallrichtung ersetzt werden muß, und die unterschiedliche Funktion durch das Reziprozitätsgesetz gekennzeichnet ist.

In Fig. 1 ist eine Antenne in der Ansicht von der maximalen Empfangsintensität für einfallende Wellen gezeigt. Die Wellen fallen auf einen Reflektor 10 auf, der die Wellen auf einen Empfangsteil, der üblicherweise ein Dipol 20 ist, reflektiert. Der Dipol 20 würde bei herkömmlichen Antennen auch Wellen empfangen die in einem Randbereich 12 gebeugt werden. Um den Randbereich auszuschalten ist der Randbereich 12 erfindungsgemäß absorbierend ausgebildet. Die Absorption nimmt kontinuierlich zum Rand hin zu.

Die Wirkungsweise des Randbereichs wird deutlich, wenn man die Antenne als Sendeantenne betrachtet. Eine Welle, die vom Dipol 20 ausgeht, wird bei einer Sendeantenne, nicht nur über den Reflektor 10 als Parallelstrahl in die Betrachtungsrichtung der Fig. 1 gesendet, sondern es ergibt sich auch ein Beugungsbild des Randbereichs, das Wellen in alle Richtungen enthält. Der erfinderische Absorptions­ bereich mildert jedoch diese Beugung, da erfindungsgemäß kein Beugungsbild eines scharfen Randes entsteht, sondern nur das Beugungsbild des Absorptionsbereichs. Für eine Empfangsantenne bedeutet das, daß die Richtungsabhängig­ keit für seitliche oder von hinten einfallende Wellen stark vermindert ist.

In der Ausführungsform gemäß Fig. 1 ist der Randbereich durch sich nach außen erweiternde Schlitze 14 ausgebildet. Hinter dem ersten Reflektor 10, befindet sich ein zweiter Reflektor 30. Beide Reflektoren bilden einen Hohlraum, der den durch die Schlitze einfallenden Wellenanteil absorbiert. Die Wirkungsweise des Hohlraums wird später in Zusammenhang mit Fig. 3 und Fig. 4 beschrieben.

In Fig. 2 ist eine andere Ausführungsform zur Ausbildung des absorbierenden Randbereichs gezeigt. Hier befinden sich Löcher 16, 18 im ersten Reflektor 10. Die Fläche der durch die Löcher ausgeschnittenen Bereiche ist zum Außenbereich hin größer, wodurch der Absorptionsgrad zum Rand hin wieder zunimmt.

Die Größe der Schlitze 14 in der Fig. 1 und der Löcher 16 und 18 in Fig. 2 ist nur als Veranschaulichung des Prinzips zu werten. Für eine praktisch zu verwirklichende Antenne, müssen Form, Position und Größe von Schlitzen und Löchern mit den dem Fachmann bekannten Techniken je nach Anforderung berechnet werden.

In Fig. 3 ist ein Teil eines Schnitts durch die Antenne von Fig. 1 entlang der Linie A-A gezeigt. Es ist aus Fig. 3 deutlich erkennbar, daß die beiden Reflektoren 10 und 30 einen Hohlraum ausbilden. Die Absorption ist, neben der Schlitzgröße auch durch den Reflexionsgrad des zweiten Reflektors 30 und dem Abstand der Reflektoren gegeben. In Fig. 3 ist der Abstand der Oberflächen der beiden Reflek­ toren gleich dem Viertel der Wellenlänge, gekennzeichnet durch den griechischen Buchstaben Lambda, gewählt. Das bedeutet, daß am zweiten Reflektor 30 reflektierte und aus dem Schlitz 14 wieder austretende Wellen, eine Phasen­ differenz von 180° zu den an der Fläche 10 reflektierten Welle haben und diese deshalb teilweise weginterferieren. Der Hohlraum zwischen den beiden Reflektoren 10 und 30 wirkt also absorbierend.

Eine Antenne gemäß Fig. 3 hat den Nachteil, daß sie nur für eine Wellenlänge wirksam sind und zur besten Wirksamkeit genaue Fertigungstoleranzen eingehalten werden müssen. Es wäre wünschenswert, eine Antenne zu haben, bei der das Absorptionsverhalten des Randbereichs je nach Bedarf einstellbar ist.

Eine solche Antenne ist in Fig. 4 gezeigt. Dabei wird der Abstand nicht genau auf ein Viertel der Wellenlänge abgestimmt. Weder der erste noch der zweite Reflektor werden auf Erdpotential gelegt. Es entsteht dann durch die auffallenden Wellen eine Potentialänderung auf dem ersten Reflektor. Diese Potentialänderung wird über einen Schalt­ kreis 50 auf die zweite Elektrode 30 gelegt. Der Schaltkreis 50 verändert Amplitude und Phase des Ein­ gangspotentials.

Durch den Schaltkreis 50 wird ein zusätzliches Potential an den zweiten Reflektor 30 gelegt, der dann nicht nur als Reflektor sondern auch als Sendeantenne für eine weitere Welle dient, die gegenüber der auf den ersten Reflektor auf­ fallenden Welle phasenverschoben ist. Durch Einstellung von Phase und Amplitude kann in diesem Beispiel das Absorp­ tions- bzw. Reflexionsverhalten der Antenne im Randbereich eingestellt werden.

Die Einstellbarkeit des Reflexionsverhaltens ermöglicht es auch, den zweiten Reflektor in Sektoren zu unterteilen und das Absorptionsverhalten des Randes mit verschiedenen Schaltkreisen 50 zu optimieren, um die Interferenzen er­ zeugenden Störwellen aus verschiedenen Raumbereichen unter­ schiedlich dämpfen zu können.

Eine mögliche Schaltung für den Schaltkreis 50 ist in Fig. 5 gezeigt. In dieser Schaltung sind zwei Schwingkreise, bestehend jeweils aus einer Induktivität L₁, L₂ und einer Kapazität C₁, C₂, als Spannungsteiler geschaltet. Das Verhältnis des komplexen Widerstandes des Schwingkreises L₂ C₂ zum gesamten komplexen Widerstand bestimmt Phase und Amplitude. Die beiden Kapazitäten C₁, C₂ sind einstellbar, so daß sowohl Phase als auch Amplitude einstellbar sind.

Es ist zweckmäßig, die Kapazitäten C₁, C₂ als Kapa­ zitätsdioden auszuführen, die entfernt von der Antenne durch Gleichspannungen eingestellt werden. Dadurch können wellenoptische Störungen durch den Abgleichenden vermieden werden. Für verschiedene Betriebsarten der Antenne, z. B. die Verwendung bei verschiedenen Frequenzen, ist es angebracht, die die Kapazitätsdioden steuernden Gleich­ spannungen digital zu speichern und je nach Verwendungsart von einem Mikrocomputer über einen Digital-Analogwandler anzulegen.

In Fig. 6 ist gezeigt, wie man eine herkömmliche Antenne zu einer erfindungsgemäßen modifizieren kann. Kommerziell erhältliche Antennen haben üblicherweise einen abgerundeten Rand. Auf diesem Rand kann ein Modul 70 befestigt werden, welches dann formschlüssig auf dem Rand aufsitzt. Durch Klemmen 72 wird das Modul an dem Rand festgehalten. Das Modul 70 weist den erfindungsgemäßen absorbierenden Rand­ bereich auf.

Erfindungsgemäße Antennen weisen einen kontinuierlichen absorbierenden Randbereich auf. Dies hat den Vorteil, daß die Beugung am Rand abgeschwächt werden kann, so daß die aus der Umgebung einfallenden interferierenden Wellen gedämpft werden. Der absorbierende Randbereich kann durch Löcher und Schlitze zusammen mit einem zweiten Reflektor verwirklicht werden. Eine solche Antenne hat den Vorteil der Abgleichbarkeit.

Claims (9)

1. Richtungsempfindliche Antenne mit einem Reflektor (10) und einem Dipol (20) in dem Brennbereich des Reflektors (10), bei der am Randbereich (12) des Reflektors (10) das Reflexionsvermögen kontinuierlich abnimmt und am Rand selbst gegen Null geht, dadurch gekennzeichnet, daß der Reflektor (10) einen absorbierenden Randbereich (12) aufweist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der absorbierende Randbereich (12) in Richtung von der Mitte des Reflektors zum Rand hin in einem Bereich erstreckt, der zwischen einer halben und bis zu drei Wellenlängen liegt.

3. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Randbereich (12) durch Löcher (16, 18) oder Schlitze (14) im Reflektor in Zusammenhang mit einem an der Rückseite des Reflektors (10) befindlichen zweiten Reflektor (30) ausgebildet ist.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand zwischen der Oberfläche des zweiten Reflektors (30) und des Reflektors (10) in Richtung zum Dipol (20) einen Abstand hat, bei dem sich zwei von beiden Oberflächen ausgehende Wellen derart gegeneinander aufheben, daß die Summenwelle im wesentlichen phasengleich zu den in anderen Reflektorbereichen reflektierten Wellen ist.

5. Antenne nach Anspruch 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß sich zwischen erstem Reflektor (10) und zweitem Reflektor (30) ein Schaltkreis (50) befindet, mit dem sich Phasenlage und Amplitude der im Randbereich (12) reflek­ tierten Welle einstellen läßt.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß für die Einstellung von Phasenlage und Amplitude im Schaltkreis (50) einstellbare kapazitive Elemente (C₁, C₂) vorgesehen sind.

7. Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß die kapazitiven Elemente Kapazitätsdioden sind, die über Gleichspannungen von einem von der Antenne entfernten Ort aus einstellbar sind.

8. Antenne nach mindestens einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Randbereich (12) in Sektoren unterteilt ist, die getrennt abstimmbar sind, damit sich die Interferenzen aus verschiedenen Raumbereichen getrennt kompensieren lassen.

9. Antenne nach mindestens einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der absorbierende Randbereich (12) als ein auf eine vorhandene Antenne aufsteckbares und befestigbares Modul (70) ausgebildet ist.