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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf Breitbandantennen und insbesondere auf Antennen die für ultrakurze
Hochspannungsimpulse geeignet sind.
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Die Gesamtheit der gegenwärtig auf
dem Markt zur Verfügung
stehenden Breitbandantennen sind für einen Betrieb im permanenten
harmonischen Bereich vorgesehen und werden für verschiedene Anwendungen wie
z.B. die Tests zur elektromagnetischen Kompatibilität oder die
Messung der für
den Radar äquivalenten Oberfläche (SER)
Messungen benutzt. Die verbreitesten Anwendungen sind unter anderem:
- – die
stufenförmige
Hörner,
- – die
logarithmisch-periodischen Antenen,
- – die
Vivaldiantennen,
- – die
Schmetterlingsantennen,
- – die
Spiralen,
- – die
Doppelkegel, ...
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Trotz der großen Vielfältigkeit dieser Antennentypen,
bieten die meisten von ihnen nicht die gewünschten Kennzeichen für Versuche
in Übergangsbereichen.
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Um zeitlich leistungsfähig sein
zu können,
müssen
die Antennen natürlich
Breitbandantenen sein um den Spektralbereich der von einem zugeordneten
Impulsgenerator gelieferten Impulse abzudecken. Sie müssen ausserdem
besondere Eigenschaften aufweisen, die der Strahlung oder dem Messen
ultrakurzer Impulse eigen ist. Es ist in der Tat wichtig, daß die Antennen
eine Transferfunktion aufweisen, dessen Frequenz wenig streut, damit
der abgestrahlte oder empfangene Impuls weder verformt noch gestreut
wird. Eine starke Verzerrung des Signals zieht eine Verlängerung
der Zeitantworten der verschiedenen Ziele nach sich und dadurch geht
ein Hauptinteresse der Übergangsmethoden
verloren, d.h. die Möglichkeit,
die Nutzechos der Störwege durch
einfache Zeitfensterungen zu trennen.
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Unter den gegenwärtig auf dem Markt zur Verfügung stehenden
klassischen Breitband-Antennen sind die Hörner, die stufenförmigen Hörner und
die logarithmisch-periodischen Antennen die allgemein am meisten benutzten
Antennen.
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Im folgenden wird für jeden
dieser Antennentypen das in der Achse abgestrahlte elektrische Feld
dargestellt, wenn das auf die Antenne aufgebrachte Enegungssignal
ein Gaussimpuls ist, mit einer Breite gleich 700 ps auf halber Höhe.
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- a) das als Beispiel vorgeschlagene Horn wird
mit Hilfe des Berechnungscodes der finiten Differenz im Übergangsbereich
modellisiert. Die Abmessungen des Horns werden bestimmt, damit sein
Durchlassband sich von 100 MHz bis 1 GHz erstreckt. Die Erregung
des Leiters wird dadurch ausgeführt,
indem in einer Schnittebene eine räumliche Verteilung des elektrischen
Feldes im TEO1-Modus
(sinπ/a)
auferlegt wird, wobei a die Abmessung des Leiters in der y-Achse ist. Der in
der Achse der grossen Entfernung abgestrahlte Impuls weist eine
zeitliche Streuung von ca. 80 ns auf, ist jedoch erst bei 30 ns
bedeutsam.
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Dieser Antennentyp ist also nicht
für einen
Betrieb im Übergangsbereich
geeignet. Jede Spektralkomponente wird in der Tat von einem Phasenzentrum
abgestrahlt das sich im Innern des Horns bewegt, wodurch teilweise
eine Signalstreuung erzeugt wird.
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Übrigens
werden die Abmessungen der Antenne bei diesen Frequenzen sehr groß, wodurch
nicht zu vernachlässigender
Raumbedarf und Schwierigkeiten bei der Ausführung entstehen.
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- b) das Stufenhorn weist die Besonderheit auf,
ein großes
Durchlassband (200 MHz bis GHz) aufzuweisen, wobei relativ bescheidene
Abmessungen bewahrt bleiben. Die Benutzung von Stufen im Profil
erlauben es, eine hohe Verstärkung über das
ganze Durchlassband zu erreichen. Dieses Horn wurde in einer im
CELAR in einem reflexionsfreien Raum getestet. Das abgestrahlte
elektrische Feld weist eine zeitliche Streuung von ca. 15 ns auf.
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Der Impuls wird teilweise durch die
schlechten Leistungen des Horns bei niedrigen Frequenzen verformt.
Die Evaneszensmoden werden in der Tat unterhalb der Grenzfrequenz
des Leiters erregt, was das abgestrahlte elektrische Feld stört. Die
Stufen und die Reflexionen an den Enden der Platten können ebenfalls zur
Streuung des Signals beitragen.
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- c) die logarithmisch-periodische Antenne ist
ein Ensemble von parallelen Dipolen, die von einer Übertragungsleitung
gespeist werden, so daß die
beiden aufeinanderfolgenden Dipole sich in Gegenphase befinden.
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Jede Litze strahlt mit einer maximalen
Leistung wenn die halbe Wellenlänge
der Speisung mit seiner eigenen Länge identisch ist.
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So ist die Hochfrequenz der Antenne
begrenzt durch die Abmessung der kleinsten Litze und der niedrigen
Frequenz, d.h. durch die der größten Litze.
Die logarithmisch-periodische Antenne wurde mit Hilfe des Berechnungscodes
der Integralgleichungen modellisiert.
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Die geometrischen Abmessungen wurden
so bestimmt, daß die
Antenne ausgerichtet ist und ein Spektrum zwischen 100 MHz und GHz überdeckt.
Diese Art von Antenne sendet hauptsächlich ein horizontales elektrisches
Feld ab dessen Dauer relativ lang ist.
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Die aufeinanderfolgenden Resonanzen
der die Antenne zusammensetzenden Litzen sind der Ursprung der am
abgestrahlten Signal zu beobachtenden Streuung.
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Die klassischen Breitbandantennen
sind also nicht geeignet, einen ultrakurzen Impuls auszustrahlen. Es
sind jedoch seit einigen Jahren zahlreiche Untersuchungen angestellt
worden, Vorrichtungen zu entwickeln, die in der Lage sind, starke
Impulse mit einer minimalen Verformung abzustrahlen, diese Antennen
stehen jedoch gegenwärtig
nicht auf dem Markt zur Verfügung.
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Es schien deshalb erforderlich, eine
Antenne zu entwickeln, die leicht auszuführen ist, wenig Raum einnimmt,
und besonders korrekte elektromagnetische Leistungen für die beiden
Betriebsarten, d.h. transistorisch und harmonisch, aufweist.
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Die Erfindung hat als Gegenstand
eine Breitbandantenne, die dadurch gekennzeichnet ist, daß sie in einer
gemeinsamen Ebene zwei symmetrische Teile aufweist, wobei jeder
Teil mindestens zwei leitende, miteinander verbundene Litzen umfasst,
die von einem zweiadrigen Kabel gespeist werden, wobei jede Litze
in seinem dem zweiadrigen Kabel entgegengesetzten Teil eine ohmsche
Last umfasst.
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ES handelt sich um eine sogenannte
scherenförmige
bzw. Doppel-V-Antenne. Ein Beispiel für ein doppeltes V wird in dem
Dokument
GB-A-2151082 2 gegeben.
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Nach anderen Kennzeichen der Erfindung:
- – umfasst
jeder symmetrische Teil unter anderem mindestens eine Litze, die
nicht an die anderen Litzen angeschlossen ist und in seinem dem
Versorgungskabel entgegengesetzten Teil eine ohmsche Last umfasst,
- – umfasst
jeder symmetrische Teil n leitende Litzen, die miteinander verbunden
sind oder nicht und jede Litze an ihrem Ende eine ohmsche Last umfasst,
wobei n über
zwei liegt.
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Die Erfindung wird verständlicher
beim Lesen der folgenden, nur als Beispiel und unter Bezugnahme auf
die Zeichnungen gegebenen Beschreibung, in denen:
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die 1 eine
schematische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer ersten erfindungsgemäßen scherenförmigen Antenne
ist;
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die 2 eine
perspektivische Ansicht einer ersten Ausführungsform einer zweiten erfindungsgemäßen scherenförmigen Antenne
ist;
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die 3 eine
Grafik ist, die den Reflexionskoeffizienten der erfindungsgemäßen Antenne
wiedergibt;
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die 4 eine
Grafik ist, die das Messen der Verstärkung der erfindungsgemäßen Antenne
wiedergibt;
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die 5 eine
Grafik ist, die den Vergleich der Theorie mit der in der Achse gemessenen
Impulsmessung wiedergibt;
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die 6 eine
Grafik der Fourriertransformierten des in der Achse gemessener Impulses
mit einer Polarisierung VV ist;
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die 7 ein
Diagramm der Strahlung in der Ebene H ist;
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die 8 ein
Diagramm der Strahlung in der Ebene E ist.
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Auf der 1 ist schematisch eine erfindungsgemäße scherenförmige Breitbandantenne
dargestellt.
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Diese Antenne umfasst in einer gemeinsamen
Ebene, die gleichzeitig die Zeichnungsebene ist, zwei in Bezug auf
die Achse X-X symmetrische Teile 2, 3.
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Jeder symmetrische Teil 2, 3 umfasst
im vorliegenden Beispiel zwei leitende Litzen 4, 5, 6 bzw. 7, 8, 9.
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Die Litzen 4, 5 und 7, 8 sind
durch ihre Enden miteinander verbunden.
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Die Litzen 6 und 9 sind
durch eine ihrer Enden mit den entsprechenden Anschlüssen der
Litzen 4, 5 und 7, 8 verbunden
und ihre entgegengesetzten Enden sind nicht angeschlossen.
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Die so zusammengesetzte Antenne wird
direkt durch ein zweiadriges Kabel erregt.
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An ihren verbundenen oder freien
Enden umfassen die Litzen 4, 5, 6, 7, 8, 9 jeweilige
durch in Serie geschaltete Widerstände gebildete ohmsche Lasten 11, 12, 13, 14, 15, 16.
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Selbstverständlich kann jeder symmetrische
Teil eine Anzahl n von Litzen umfassen, wobei n von 3 verschieden
und größer oder
gleich 2 ist und die Litzen untereinander verbunden sind oder nicht.
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Das elektrische Feld wird also im
Innern des Kabels 10 geleitet und dann in den Raum abgestrahlt. Die
Polarisierung des elektrischen Feldes E ist hauptsächlich geradlinig
vertikal et die Einfache Rotation der Antenne um 90° ermöglicht es,
eine geradlinige horizontale Polarisierung zu erhalten.
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Die Gesamtheit der Vorrichtung ist
in einer einzigen Ebene enthalten, woher die vollständige Abwesenheit
einer gekreuzten Polarisierung herrührt.
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Die elektromagnetischen Qualitäten der
Antenne (Eingangsimpedanz, Verstärkung,
Strahlungsdiagramm, Durchlassband, Streuung) hängen im wesentlichen von den
geometrischen Abmessungen wie der Länge und dem Öffnungswinkel
ab. Eine intuitive Überlegung
führt dahin,
zu denken, dass die untere Grenzfrequenz mit der Länge verbunden
ist während
die obere Grenzfrequenz durch Öffnung
der Leitung begrenzt ist.
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Die klassischen Breitbandantennen
(Hörner
TEM, Stufenhörner,
logarithmisch-periodische
Antennen) sind nicht geeignet, einen ultrakurzen (1 ns), starken
(> 10 kV) Impuls abzustrahlen
mit einem Minimum von Verformungen (Streukoeffizient über 15 für ein stufenförmiges Horn, über 30 für ein klassisches
Horn, über
120 für
eine logarithmisch-periodische Antenne).
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Das neue erfindungsgemäß vorgeschlagene
Konzept ist ein einfach auszuführendes
Antenne mit Drahtlitzen, das unter Abdeckung eines breiten Frequenzbandes
in der Lage ist, einen ultrakurzen Hochspannungsimpuls mit einem
Streuungskoeffizienten unter 1,4 abzustrahlen.
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Die Länge s der Litzen 4 bis 9 ist
verknüpft
mit der niedrigsten Frequenz, die im abzustrahlenden Signalspektrum
enthalten ist und muss mindestens gleich einer halben Wellenlänge sein,
d.h. S ≥ λmin/2
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Der Öffnungswinkel der Antenne wird
auf folgende Weise bestimmt.
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Es existieren in der Literatur Formeln,
die für
die Konzeption einer Antenne mit ähnlicher Geometrie geeignet
sind und nur aus zwei Adern bestehen: der V-förmige Dipol. Diese empirischen
Gleichungen erlauben ist, den inneren optimalen Winkel der Vorrichtung
zu bestimmen, für
den die Verstärkung
in Abhängigkeit
von der Länge
s der Litze und der Wellenlänge λ in der Achse
maximal ist.
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Bei 0,5 ≤ S/λ ≤ 1,5 : β = – 149,3
(s/λ)3 + 603,4 (s/λ)2 – 809,5
(s/λ) +
443,6
Bei 1,5 ≤ S/λ ≤ 3,0 : β = 13,39
(s/λ)2 – 78,27
(s/λ) +
169,77
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Für
s/λ > 3, ist es möglich, eine
Extrapolierung der vorhergehenden Formel durchzuführen.
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Es erweist sich erfindungsgemäß als nützlich,
zu dem V-förmigen
Dipol mehrere zusätzliche,
an ihren Enden verbundene oder nicht verbundene Litze hinzuzufügen, deren
geometrische Formen durch Parametrierung optimiert worden sind,
um die elektromagnetischen Leistungen der Vorrichtung zu verbessern
- – stabilere
Eingangsimpedanz über
das ganze Frequenzband;
- – Verbesserung
der Direktivität
(Feldamplitude verstärkt
in der Achse);
- – Völlige Abwesenheit
von gekreuzter Polarisierung, die Felder werden besser zwischen
den beiden ebenen Leitungen erhalten.
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Wie es auf der 1 dargestellt ist, hat sich die Konfigurierung
und Schrenform für
die beiden Litzen am optimalsten erwiesen. Die äusseren Litzen 5, 6 und 8, 9 von
jedem symmetrischen Teil werden jeweils von divergierenden Abschnitten 5a, 6a, 8a, 9a gebildet,
die durch untereinander parallele Abschnitte 5b, 6b, 8b, 9b verlängert werden.
Die parallelen Abschnitte haben eine Länge l, während die divergierenden Abschnitte eine
Projektion auf die Richtung der parallelen Abschnitte mit der Länge l' haben. Die wie folgend
angegebenen gewählten
Längen
l und l' gewährleisten
die besten Leistungen
l = 2 L/3 und l' = L/3wobei
die L die Gesamtlänge
der Antenne ist.
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Die Eingangsimpedanz hängt von
der Geometrie der Antennen und den ohmschen Anpassungslasten, aber
auch vom Durchmesser der Drahtlitzen 4 bis 9 ab.
Ein schwacher Durchmesser der Litzen verstärkt die induktiven Wirkungen
der Adern, wodurch der imaginäre
Teil mit der Frequenz zunimmt.
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Im Gegenteil, ein großer Durchmesser
(r = 1cm) erlaubt es, einen kleinen imaginären Teil über die Gesamtheit des Bandes
zu behalten. Um die Anpassung der Vorrichtung zu vereinfachen, ist
es also wichtig, einen Mindestdurchmesser von 1 cm zu wählen.
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Das Problem der Anpassung der Enden
wird wie folgend gelöst.
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Eine klassische Antenne weist an
ihren Enden einen offenen Kreislauf auf, der der Grund für die Reflexionen
ist, die die Leistung der Antenne verschlechtern. Diese Resonanzen
sind verantwortlich für
eine deutliche Verlängerung
der abgestrahlten Übergangssignale
aber auch für
eine Verschlechterung des Anteils der stehenden Wellen am Eingang
der Antenne Dieses Problem wird gelöst, indem ohmsche Lasten 11 bis 16 über die
Länge der
Enden der verschiedenen Litzen 4 bis 9 verteilt
werden. Die in jedem Leiter geführten
Ströme werden
progressiv gedämpft
so daß sie
quasi annuliert werden und so die Störemmisionen-reflexionen reduzieren.
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Das folgende Entwicklungsgesetz der
dem Nichtreflexionsgesetz von Wu und King gehorchenden Widerstände Z(ρ) ist z.B.
perfekt geeignet
Z(ρ) = Zo/(1-ρ/s') mit 0 ≤ ρ < s'wobei
- • s' : Teil des Kabels
mit ohmscher Last
- • ρ: Position
des Widerstanselementes auf der Litze,
- • Zo
: erste Last bei ρ =
0 m.
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Der Wert Zo muß zwischen 10 Ω und 30 Ω gewählt werden
und ein Widerstand muss ca. alle 5 cm positioniert werden. Die aufzuerlegenden
Werte sind nicht kritisch, so daß man auf ein anderes hyperbolisches benachbartes
Gesetz zurückgreifen
kann.
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So sind einfache Ausführungen
erledigt worden, indem mehrere Widerstände mit Standardwerten panalel
entlang jeden Endes zugeordnet worden sind.
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Es ist ebenfalls möglich, Bänder mit
verschiedenen Widerständen
zu benutzen.
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Der Hauptnachteil dieser Technik
ist, dass die Globalleistung der Antenne geschwächt um zu vermeiden dass die
Verstärkung
gestört
wird.
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Die Länge der Litzen und der Teil
des Kabels der mit einer ohmschen Last versehen ist, sind im allgemeinen
durch folgende Beziehung verbunden: s/3 < s' < s/2 Die Bestimmung
der oberen Grenzfrequenz (fmax) wird auf folgende Weise sichergestellt.
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Eine Parameterstudie hat die Existenz
einer Frequenz gezeigt für
die die Verstärkung
in der Achse ein Minimum aufweist. Es erscheint eine destruktive
Interferenz wenn die Betriebsdifferenz zwischen der Länge L' der von Widerstandslasten
befreiten Antenne und die Länge
s" der an der Strahlung
teilnehmenden Litze λ/2 für die betrachtete
Spektralkomponente entspricht. Dieses Phänomen kann ausgedrückt werden
durch S" – L' << λ/2Also
f << c/2 (s" – L')
Wobei c die Lichtgeschwindigkeit
ist.
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Im allgemeinen nimmt man fmax = c/6
(s" – L')
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Die Strahlungsdiagramme der erfindungsgemäßen scherenförmigen Antenne
resultieren aus einer Kombinierung zwischen der eigenen Strahlung
jede Litze.
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Als Endergebnis ist die Hauptkeule
in der Achse maximal, aber er wird begleitet, vor Ort, von Sekundärkeulen
deren Niveau in den meisten Fällen
schwach ist. Das Niveau der Sekundärkeulen ist im allgemeinen kleiner
als 8 dB in Bezug auf die Hauptkeule.
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Die Benutzung der ohmschen Lasten 11 bis 16 erlaubt
es insbesondere die hintere Strahlung des Kabels zu begrenzen (unterhalb
von mehr als 15 db in Bezug auf die Strahlung in der Achse) was
die Direktivität der
Diagramme verbessert.
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Anschliessend werden die Ergebnisse
an einer scherenförmigen
Antenne gegeben (n = 2) (200 MHz bis 1,6 GHz) vom Typ der auf der 2 dargestellt ist.
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Die auf der 2 dargestellte Antenne umfasst in jedem
symmetrischen Teil 2, 3 zwei Litzen 18, 19, 20, 21 die
mit ihren entgegengesetzten Enden an ein Enegungskabel 22 angeschlossen
sind.
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Die geometrischen Abmessungen der
Antenne der 2 (n = 2),
aufgestellt nach den vorstehenden Konzeptionsregeln, sind
L
= 1 m
L' =
0,7 m
s = 1,044 m
s' =
0,3 m
l = 0,65 m
l' =
0,35 m
r = 0,01 m
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Jede Litze umfasst eine entsprechende
ohmsche Last 23, 24.
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Das Diagramm der 3 stellt den Reflexionskoeffizienten
der mit einer Symmetrieschaltung von 50 Ω bis 200 Ω ausgerüsteten Antenne dar. Ein Maximalniveau
von –13
dB wird auf dem Band 200 Mhz-1,6 GHz erhalten.
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Die 4 stellt
die in den Konfigurationen V-V und H-H gemessenen Verstärkung in
der Achse dar.
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Die 5 vergleicht
die gemessenen und theoretischen Signale, wenn sich zwei Antennen
in einer gegenseitigen Entfernung von 5,80 m gegenüberliegen.
Eine Antenne sendet, von einem Generator HMP/F der Firma Kentech
erregt Amplitudensignal 4 kV, Anstiegszeit 120 ps, Signaldauer 700
ps, Ausgangsimpedanz 50 Ω)
und die andere Antenne ist im Empfang mit einem Oscilloskop TDS820
mit sequentieller Akquisition der Firma Tecktronix verbunden (6
GHz Durchlassband).
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Die dargestellte Kurve ist normalisiert,
damit Vergleiche möglich
sind. Das am Fuss der Empfangsantenne gemessene Kammniveau der Spannung
ist ungefähr
50 Volt. Die Streuung bleibt unter 1,4. Das auf der 6 dargestellte Signalspektrum gibt ein
Durchlassband, das sich von 80 MHz bis 1,2 GHz bei –20 dB vom Maximum
erstreckt.
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Die Strahlungsdiagramme in der Ebene
H und in der Ebene E werden auf den 7 und 8 dargestellt. In der Ebene
H hat die Hauptkeule einen halben Öffnungswinkel von 45° bei 500
MHz. In der Ebene E ist die Keule viel enger mit einem halben Öffnungswinkel
von 13° für die gleiche
Frequenz. Die sekundären
Keulen liegen in dieser Ebene bei ungefähr 8 dB (für 500 MHz) vom Maximalniveau.
Die hintere Strahlung liegt auf einem Niveau von –15 dB in
Bezug auf die in der Achse beobachtete Strahlung.
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Die technischen und wirtschaftlichen
Vorteile der erfindungsgemäßen scherenförmigen Antenne
in Bezug auf die Antennen aus dem Stand der Technik werden in der
Folgenden Tabelle angegeben.
- ⇑:
- sehr gut
- ⇒:
- gut
- ⇓:
- mittelmäßig
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Die scherenförmige Antenne erlaubt es im
Gegensatz zu den klassischen Breitbandantennen, gute elektromagnetische
Leistungen gleichzeitig im Harmonischen (Bandbreite, Verstärkung) und
im Transitorischen (Streuung) zu verbinden.
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Die geplanten Anwendungsbereiche
der erfindungsgemäßen Antenne
sind die folgenden
- • elektromagnetische Kompatibilität, wenig
Raum erfordernde Beleuchtungs- und Messungsmittel, insbesondere
im Niederfrequenzbereich,
- • Äquivalente
Radar-Oberflächenmessungen
bei Niederfrequenz im transitorischen und harmonischen Bereich,
- • Minendetektion
(Radarbilder bei synthetischer Öffnung).
