DE68918451T2 - Logarithmisch-periodische Antenne mit zwei Richtdiagrammen. - Google Patents

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG
• Die vorliegende Erfindung betrifft, allgemein gesprochen, logarithisch-periodische Dipol-Antennen und insbesondere eine logarithmisch-periodische Dipol-Antenne mit Zweifach-Moden, die in der Lage ist, Summen- und Differenz-Muster für Längen von Dipol-Elementen zu erzeugen, die einer halben Wellenlänge bzw. einer Wellenlänge entsprechen.
• Logarithmisch-periodische Dipol-Antennenstrukturen sind auf dem Gebiet der Antennen bekannt. Eine Erörterung derartiger Strukturen findet man in "Broadband Logarithmically Periodic Antenna Structures", R. H. DuHamel u.a., 1957 IRE National Convention Record, Teil 1, Seiten 119-128, und "Log Periodic Dipole Arrays", IRE Trans. Antenna Propag.., Vol. AP-8, Seiten 260-267, Mai 1960.
• Bei Anwendungen mit Monopulsen oder zum Ermitteln einer Richtung sind jedoch zwei getrennte logarithmisch-periodische Gruppen erforderlich, um über das VHF-Band hinweg die Möglichkeit zu schaffen, Richtungen zu bestimmen. Derartige Antennen-Systeme sind typischerweise sperrig und die elektrischen Eigenschaften der beiden Antennen lassen sich nur sehr schwierig aufeinander abstimmen. Darüber hinaus strahlen Dipol-Antennen mit Einfach- Modus nur Summen-Muster aus und liefern daher keine Phaseninformation, die man jedoch bei Anwendungen benötigt, bei denen Zielobjekte erfaßt werden sollen.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
• Um die Einschränkungen bekannter Dipol-Antennen mit Einfach-Modus zu überwinden, die unter Zweifach-Moden-Einsatzbedingungen arbeiten, stellt die vorliegende Erfindung, die durch den Patentanspruch 1 definiert ist, eine logarithmisch-periodische Dipol-Antenne 20 mit Zweifach-Moden zur Verfügung, die in der Lage ist, ein gerichtetes Summen-Muster zu erzeugen und die ferner ein Differenz-Muster erzeugen kann, um die Empfangsrichtung von einfallender Energie zu bestimmen. Die Antenne umfaßt eine nicht-leitfähige Stütz-Struktur mit einer Mehrzahl von Dipol-Antennen-Strahlern von zunehmend größerer Länge, die an der Stütz-Struktur befestigt sind.
• Die Antenne 20 erweitert sich nach außen von einer Spitze, die an ihrem Eingangsende angeordnet ist. Jeder Strahler verfügt über getrennte linke, mittlere und rechte Strahlerelemente, die sich rechtwinklig zur Längsachse der Antenne erstrecken. Das rechte und das mittlere Element der Strahler entsprecht einer ersten Dipol-Antennen-Gruppe und das mittlere und das linke Element jedes Strahlers entspricht einer zweiten Dipol- Antennen-Gruppe.
• Zwei Eingangstore sind am Eingangsende der Gruppen vorgesehen, eines ist mit den rechten und mittleren Elementen eines ausgewählten Eingangsstrahlers gekoppelt und das andere ist mit den entsprechenden linken und mittleren Elementen des Eingangsstrahlers gekoppelt. Eine erste Übertragungsleitung verbindet abwechselnd rechte und mittlere Elemente der Strahler der ersten Dipol-Gruppe und eine zweite Übertragungsleitung verbindet abwechselnd mittlere und linke Elemente der Strahler einer zweiten Dipol-Gruppe.
• Ein Hybrid-Koppler wird eingesetzt, um Energie in die und aus der Antenne zu übertragen und ist so ausgebildet, daß er Energie an die Eingangstore liefert, die in Phase und außer Phase ist. Die Antenne wird in Serienschaltung über die Eingangstore gespeist und erzeugt Summen- und Differenz-Muster in Abhängigkeit von der Art der Ansteuerung.
• Bei einem Ausführungsbeispiel sind die Dipol-Elemente in jedem Abschnitt gleichachsig und die Gruppen liegen in derselben Ebene. Bei dem zweiten Ausführungsbeispiel sind die linken und rechten Dipol-Elemente gleichachsig und in einer Ebene angeordnet, während die mittleren Elemente parallel zu den jeweiligen Strahlerelementen aber von diesen beabstandet angeordnet sind. Die mittleren Elemente sind in einer Ebene angeordnet, die parallel zu der Ebene ist, die die linken und mittlere Dipol- Elemente enthält.
• Die Dipol-Antenne erzeugt Summen- und Differenz-Muster über eine große Bandbreite, und zwar unter Aufrechterhaltung einer angemessenen Eingangsimpedanz. Die Antenne kann als Antenne zum Ermitteln einer Richtung im HF-, VHF- oder UHF-Bereich des elektromagnetischen Spektrums betrieben werden. Die Antenne vermeidet damit die Notwendigkeit für zwei herkömmliche Dipol- Antennen, die normalerweise benötigt werden, um Richtungen zu ermitteln.
KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG
• Die verschiedenen Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden leichter verständlich unter Bezug auf die nachfolgende detaillierte Beschreibung in Verbindung mit der beigefügten Zeichnung, wobei gleiche Bezugszeichen gleiche Elemente bezeichnen und wobei:
• Fig. 1a-c ein Ausführungsbeispiel einer logarithmisch- periodischen Dipol-Antenne mit Zweifach-Moden gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung darstellen;
• Fig. 2a-c Diagramme darstellen, die von der Antenne gemäß Fig. 1 erzeugt werden;
• Fig. 3a und b die Verstärkung und das Stehwellenverhältnis im Summen-Modus sowie die Verstärkung und das Stehwellenverhältnis im Differenz-Modus zeigen, jeweils für die Antenne gemäß Fig. 1 und
• Fig. 4a und b ein zweites Ausführungsbeispiel einer logarithmisch-periodischen Dipol-Antenne mit Zweifach- Moden entsprechend den Grundlagen der vorliegenden Erfindung darstellen.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG
• In Fig. 1a ist ein Ausführungsbeispiel einer logarithmisch- periodischen Dipol-Antenne 20 mit Zweifach-Moden gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung gezeigt. Die Antenne 20 umfaßt eine nicht-leitfähige Stütz-Struktur, die aus dielektrischem Material bestehen kann, bspw. Epoxyd-Glasfasern. Die Stütz-Struktur besteht aus zwei langgestreckten Stützgliedern 22a, 22b, an denen eine Vielzahl von Dipol-Strahlern 24 befestigt ist. Die Dipol-Strahler 24 bestehen aus einem leitfähigen Werkstoff, bspw. Aluminium.
• Die Dipol-Strahler 24 bestehen aus drei gleichachsigen leitfähigen Stäben oder Drähten, die nachfolgend zur Unterscheidung als linke, mittlere und rechte Strahlerelemente bezeichnet werden. Die rechten und mittleren Dipol-Strahlerelemente der Strahler 24 bilden eine erste Dipol-Gruppe, während die linken und mittleren Dipol-Strahlerelemente der Strahler eine zweite Dipol-Gruppe bilden. Alle Strahler 24 sind in einer ähnlichen dreiteiligen Art aufgebaut.
• Die elektrische Länge der Strahler 24 ist zunehmend ausgebildet, beginnend mit einem ersten Strahler 24a, der der Eingangstrahler der Antenne 20 ist und sich am vorderen Ende der Antenne 20 befindet und endend mit dem letzten Strahler 24b am gegenüberliegenden Ende der Antenne. Die physikalische Länge der Radiatoren nimmt ferner entlang der Länge der Antenne zu, mit Ausnahme einiger der längsten Strahler. Um eine kompakte Verpackung der Antenne 20 zu erleichtern, sind diejenigen Strahler, die die Strahlung mit längster Wellenlänge abstrahlen, physikalisch abgekürzt und elektronisch mittels induktiver Elemente 26 verlängert. Die induktiven Elemente 26 sind noch deutlicher in Fig. 1c dargestellt.
• Am vorderen Ende der Antenne 20 sind am ersten Strahler 24a zwei herkömmliche Eingangstore 28 angeordnet, die auf diesem Fachgebiet bekannt sind und daher nicht in weiteren Einzelheiten erläutert werden. Die beiden Eingangstore 28 werden getrennt voneinander an einzelne Übertragungsleitungen gekoppelt, die benutzt werden, um die strahlenden Elemente der Antennengruppen miteinander zu verbinden. Insbesondere umfaßt, wie Fig. 1b zeigt, jede Übertragungsleitung eine Mehrzahl von leitfähigen Elementen 32, die abwechselnd rechte und mittlere Strahlerelemente der jeweiligen Gruppe im Zick-Zack-Muster verbinden.
• Insbesondere werden Verbindungen hergestellt zwischen dem mittleren Strahlerelement des ersten Strahlers und dem rechten Strahlerelement des zweiten Strahlers, der wiederum mit dem mittleren Strahlerelement des dritten Strahlers verbunden ist usw. In ähnlicher Weise wird das rechte Strahlerelement des ersten Strahlers mit dem mittleren Strahlerelement des zweiten Strahlers verbunden, der wiederum mit dem rechten Strahlerelement des dritten Strahlers verbunden ist usw. Die linken und mittleren Strahlerelemente sind in ähnlicher Weise miteinander verbunden.
• Ein herkömmlicher Hybrid-Koppler, der in diesem Fachgebiet bekannt ist, und daher hier nicht weiter erörtert wird, ist mit den Eingangstoren 28 verbunden, um Energie in die und aus der Antenne 20 zu koppeln. Eine herkömmliche koaxiale oder zweiartrige Übertragungsleitung 30 ist an den Hybrid-Koppler angeschlossen, um eine Verbindung zu einem Sender oder Empfänger herzustellen, der mit der Antenne 20 gekoppelt ist.
• Die Antenne 20 gemäß der vorliegenden Erfindung kann im HF-, VHF- oder UHF-Bereich des elektromagnetischen Spektrums betrieben werden. Die Antenne 20 ist gut geeignet, um als Antenne zur Ermittlung von Richtungen zu dienen.
• Betrachtet man nun die allgemeine Arbeitsweise der Antenne 20, so ist ihre Strahlungsantwort ähnlich zu der Antwort, die von einer einzelnen Dipol-Antenne erzeugt wird, die mit zwei getrennten Speiseleitungen angeregt wird. Die beiden Speiseleitungen sind in gleichem Abstand von den Enden der Strahler angeordnet.
• Indem man beide Speiseleitungen mit in Phase befindlicher Energie betreibt, gerät der Strahler bei L = λ/2 in Resonanz und erzeugt eine Stromverteilung, wie sie charakteristisch für einen λ/2 Dipol-Strahler ist, der am gemeinsamen Mittelpunkt gespeist wird. Wenn jedoch beide Speiseleitungen mit Energie gespeist werden, die 180º außer Phase ist, so gerät der Strahler bei L = λ in Resonanz und erzeugt eine Stromverteilung, wie sie charakteristisch für einen λ Dipol-Strahler ist. Diese charakteristischen Stromverteilungen erzeugen ein Summen-Muster für den Fall gleicher Phase und ein Differenz-Muster für den Fall ungleicher Phase.
• Die Überlegungen bei der Konstruktion der Antenne 20 werden durch die folgenden Gleichungen bestimmt. Die geometrischen Abmessungen der Strahler steigen logarithmisch an und sind durch den Kehrwert des geometrischen Verhältnisses τ definiert, das wie folgt definiert ist:
• wobei L die Länge des Elementes, R der Abstand des Elementes entlang der Gruppe von der Spitze, d die Lücke zwischen den Elementen, D der Durchmesser der Elemente und n das n-te Element ist. Darüber hinaus ist der Lückenfaktor definiert als:
• Aus der unmittelbar vorstehenden Gleichung kann der Spitzenwinkel der Antenne 20 bestimmt und wie folgt ausgedrückt werden:
• Die wechselnden Speiseleitungen, die bei der Antenne 20 verwendet werden, erzeugen eine Phasenverschiebung um 180º in der Energie zwischen den strahlenden Elementen. Die Phasenverschiebung erzeugt eine Phasenvoreilung, die es gestattet, Energie von der Antenne 20 in Richtung der kürzeren Strahler zu richten.
• Die Antenne gemäß Fig. 1 verwendet eine Bauart mit variablem τ in Übereinstimmung mit der Theorie, wie man sie findet in "Reduced Size Log Periodic Antennas", The Microwave Journal, Vol. VII, Nr. 12, Seiten 37-42, Dezember 1964. Die Konstruktionsparameter für diese Antenne wurden so gewählt, daß τ = 0,87, = 0,06 und α = 56,9º sind. Der Entwurf umfaßte anfänglich 20 Elemente, wobei die drei längsten Elemente eine mechanisch verkürzte Länge hatten, aber eine induktive Belastung vorgesehen war, um ihre elektrische Länge zu vergrößern.
• Um jedoch ein zusätzliches Element für niedrige Frequenzen in der Länge der Gruppe zur Verfügung zu stellen, wurde τ für die sieben längsten Elemente zu 0,97 gewählt. Dieses erhöhte τ wurde auf die Beabstandung der Elemente angewandt und nicht auf ihre Längen. Auf diese Weise war es möglich, den effektiven Winkel α konstant zu halten. Auf diese Weise umfaßte die Konstruktion der Antenne zum Schluß 21 Elemente, bei denen die vier elektrisch längsten Elemente mechanisch verkürzt und induktiv belastet waren. Darüber hinaus war das Element für die niedrigste Frequenz zum Zwecke der Impedanzanpassung resistiv belastet, und zwar in einer an sich bekannten Art und Weise.
• Das oben beschriebene Ausführungsbeispiel wurde mittels eines Computer-Simulationsprogrammes analysiert, das als Numerical Electrical Code (NEC3)-Simulationsprogramm bekannt ist, um die Betriebseigenschaften der Konstruktion vorherzusagen. Dieses Programm wurde von der Marine der Vereinigten Staaten entwickelt und ist beim Naval Research Center in Monterey, Kalifornien erhältlich. Fig. 2a zeigt ein typisches Summen-Muster im mittleren Band und in der E-Ebene. Die maximale Verstärkung entlang der Sehlenachse beträgt 6,1 dBi. Das Muster hat eine 3 dB Strahlbreite von 70,0º und ein Vorwärts/Rückwärts-Verhältnis von 20,4 dB. Das entsprechende Muster in der H-Ebene ist in Fig. 2b gezeigt. Das Muster hat eine 3 dB Strahlbreite von 132º. Fig. 2c zeigt ein typisches Differenz-Muster in der E-Ebene. Die maximale Verstärkung ist 5,49 dBi bei 33,0º außerhalb der Sehlenachse. Die Diagramme von Fig. 2 sind Leistungs-Muster, kalibriert in dBi.
• Fig. 3a zeigt für den Summenmodus das VSWR (Stehwellenverhältnis) und die Verstärkung über das Frequenzband. Das VSWR ist weniger als 2,0 : 1 über das gesamte Band und eine Verstärkung von 6,0 dBi oder mehr ist typisch über den größten Teil des Bandes. Fig. 3b zeigt für das Differenz-Muster das VSWR und die Verstärkung. Das VSWR ist wiederum weniger als 2,0 : 1 mit Ausnahme am untersten Ende des Frequenzbandes. Die Verstärkung über die obere Hälfte des Bandes ist 6,0 dBi oder mehr. Der Verstärkungsabfall am unteren Ende ist jedoch scharf, und zwar wegen der resistiven Belastung des längsten Elementes.
• Fig. 4a und b zeigen ein anderes Ausführungsbeispiel einer Antenne gemäß den Grundlagen der vorliegenden Erfindung. Bei dieser Antenne sind das mittlere Strahlerelement der Strahler 24' transversal vom rechten und linken Element des Strahlers 24' versetzt. Die mittleren Element befinden sich in einer Ebene, und die linken und rechten Elemente des Strahlers 24' befinden sich ebenso in einer Ebene. Entsprechende Veränderungen der Stütz-Struktur 22a', 22b' sind erforderlich, um die mittleren Strahler 24' zu stützen. Da jedoch derartige Änderungen eine einfache Angelegenheit sind, brauchen sie hier nicht näher erörtert zu werden.
• Insgesamt wurde eine neue und verbesserte Dipol-Antenne erörtert, die Summen- und Differenz-Muster über ein breites Frequenzband erzeugt, während andererseits eine angemessen Eingangsimpedanz beibehalten wird. Die Antenne kann als Antenne zum Auffinden von Richtungen im HF-, VHF- oder UHF-Bereich des elektromagnetischen Spektrum eingesetzt werden. Die Antenne vermeidet das Erfordernis von zwei herkömmlichen Dipol-Antennen, die man normalerweise benötigt, um Richtungen aufzufinden.

Claims (8)

1. Logarithmisch-periodische Dipol-Antenne mit Zweifach-Moden, mit einer nicht-leitfähigen Stütz-Struktur (22a, 22b) und einer Mehrzahl von Dipol-Strahlern (24) von zunehmend großerer Länge, die an der Stütz-Struktur (22a, 22b) befestigt sind, gekennzeichnet durch:

- die Tatsache, daß alle Strahler (24) getrennte linke, mittlere und rechte Strahlerelemente aufweisen, die sich rechtwinklig zu einer Längsachse der Antenne (20) erstrecken, wobei das rechte bzw. mittlere Strahlerelement aller Strahler (24) einer ersten Dipol-Gruppe entsprechen und das mittlere bzw. linke Element der Strahler (24) einer zweiten Dipol-Gruppe entsprechen;

- zwei Eingangstore (28), von denen eines mit dem rechten und dem mittleren Element eines ausgewählten Strahlers (24a) und das andere mit dem linken und dem mittleren Element des ausgewählten Strahlers (28a) verbunden ist;

- ein erstes leitendes Element (32), das abwechselnd rechte und mittlere Elemente der Strahler (24) der ersten Gruppe miteinander verbindet; und

- ein zweites leitendes Element (32), das abwechselnd mittlere und linke Elemente der Strahler (24) der zweiten Gruppe leitend miteinander verbindet.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das linke, das mittlere und das rechte Element der Strahler (24) im wesentlichen gleichachsig sind.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Mehrzahl von Strahlern (24) im wesentlichen in einer Ebene liegen.

4. Antenne nach Anspruch 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß die mittleren Elemente der Strahler (24) parallel zu den entsprechenden rechten und linken Elementen liegen und von diesen durch einen vorbestimmten Abstand getrennt sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß das rechte und das linke Element der Strahler (24) im wesentlichen in einer Ebene liegen und die mittlere Elemente der Strahler (24) im wesentlichen in einer Ebene liegen.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstore (28) eine Dipol-Anordnung in Schleifenbauart umfassen.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Eingangstore (28) eine Dipol-Konfiguration mit Zwillingsleitern umfassen.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, gekennzeichnet durch eine Hybrid-Koppler, der leitend mit den Eingangstoren (28) gekoppelt ist.