DE804581C

DE804581C - Antenne

Info

Publication number: DE804581C
Application number: DEP27705D
Authority: DE
Inventors: Harold Alden Wheeler
Original assignee: Hazeltine Corp
Current assignee: BAE Systems Aerospace Inc
Priority date: 1946-09-17
Filing date: 1948-12-28
Publication date: 1951-04-26
Also published as: GB637551A; CH270710A; US2495399A; FR952625A; BE475850A

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne, welche zur Ausstrahlung und zum Empfang zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen geeignet ist.

Die üblichen elektrischen Dipolantennen haben eine linear polarisierte Strahlung. Dasselbe trifft auch auf die bekannten magnetischen Dipolantennen oder Rahmenantennen zu, und zwar auch dann, wenn es sich um eine Antenne handelt, welche aus einer Spule mit mehreren Windungen besteht, da

ίο die Abmessungen und Zuführungen der Spule die sich aus der Spulenform möglicherweise ergebende elektrische Dipolwirkung vernichten. Da die zirkuläre Polarisation gleichbedeutend mit einem rotierenden Feld ist, ist also keine der bekannten Dipolantennen zum Aussenden oder zum Empfang solcher Strahlung geeignet. Es wäre zwar möglich, eine elektrische Dipolantenne und eine magnetische Dipolantenne mit solchen gegenseitigen Phasenverhältnissen zu einem Antennensystem zu vereinigen, daß dieses System sich zur Strahlung und zum Empfang zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen eignet, jedoch ist die Verwendung zweier gesonderter Dipolantennen nicht wünschenswert.

Den Gegenstand der Erfindung bildet eine Antenne, welche aus zumindest einem schraubenlinienförmigen Leiter besteht, der so ausgebildet ist, daß der Flächeninhalt der durch die Projektion des Leiters auf eine zur Achse der Schraubenlinie normale Ebene bestimmten geometrischen Figur gleich dem Produkt aus der Ganghöhe der Schraubenlinie und der durch 2 π geteilten Betriebswellenlänge der Antenne ist.

Die Erfindung wird an Hand der Zeichnungen

näher erläutert. Die Fig. la und ib stellen zwei Ausführungsbeispiele der erfindungsgemäßen Antenne dar; die Fig. 2a bis 2d, 3a, 3b und 4 zeigen verschiedene Arten der Verbindung einer erfindungsgemäßen Antenne mit einem Sender oder Empfänger; die Fig. 5a und 5b stellen^ine andere Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne dar; die Fig. 6a und 6b zeigen zwei verschiedene Arten des Anschlusses der in den Fig. 5 a und 5 b dargestellten Antenne an einen Sender oder Empfänger, und Fig. 7 veranschaulicht eine schwundausgleichende Empfangsanordnung mit zwei erfindungsgemäßen Antennen.

Die in Fig. ia dargestellte Antenne besteht aus einem schraubenlinienförmigen Leiter 10, welcher eine Spule mit mehreren Windungen bildet. Die strichpunktierten Linien deuten den diese Spule einhüllenden Zylinder an. Die Eigenwelle dieser Spule gleicht der Betriebswellenlänge bzw. der

ao mittleren Wellenlänge des Betriebswellenbereiches der Antenne. Sowohl der Spulendurchmesser 2_a als auch die sich als Produkt aus der Zahl und der Ganghöhe der Spulenwindungen ergebende Spulenhöhe b ist kleiner als die in Bogenmaß ausgedrückte Betriebswellenlänge der Antenne, d. h. kleiner als

—, wenn λ die Betriebswellenlänge ist. Eine derartige Spule ist zum Aussenden oder Empfangen zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen geeignet, wenn die Fläche und die Ganghöhe ihrer Windungen das richtige Verhältnis zur Betriebswellenlänge haben. Dieses Verhältnis wird an Hand der Fig. ib erläutert.

Fig. ib zeigt, daß jede Windung der Spule in zwei strahlende Teile aufgeteilt werden kann, nämlich in ein axiales Leiterstück D_e, dessen Länge gleich der Ganghöhe p der Spule ist, und in eine flache Schleife D_m, deren Fläche normal zur Spulenachse ist und einen Flächeninhalt A hat. Das Leiterstück D_e wirkt als elektrische Dipolantenne, während die Schleife D_m eine magnetische Dipolantenne darstellt. Da die Abmessungen jedes der genannten

beiden Teile kleiner als — sind, wirken die beiden

■zn

Teile als Dipolantennen mit zur Spule gleichachsiger, pfannkuchenförmiger Strahlungscharakteristik. Der elektrische Vektor der von der elektrischen Dipolantenne D_e ausgestrahlten Welle liegt in der Ebene des diese Antenne bildenden Leiter-Stückes, während der elektrische Vektor der von der magnetischen Dipolantenne D_m ausgestrahlten Welle normal zur Achse der diese Antenne bildenden Schleife steht. Hieraus ist ersichtlich, daß die in Fig. ιa dargestellte spulenförmige Antenne aus mehreren elektrischen und magnetischen Dipolantennen zusammengesetzt ist und daher als elektromagnetische Dipolantenne bezeichnet werden kann. Bisher war nur von den elektrischen Vektoren der durch die elektrische Dipolantenne D_e und die magnetische Dipolantenne D_m ausgestrahlten zwei elektromagnetischen Wellen mit gekreuzter Polarisation die Rede, jedoch haben diese Wellen natürlich auch magnetische Vektoren. Zwecks Erzielung der gewünschten zirkulären Polarisation müssen die beiden gekreuzten polarisierten Wellen zwei Bedingungen erfüllen, und zwar muß ihre Stärke gleich sein und ihre einander entsprechenden Vektoren einen Phasenunterschied von 90⁰ aufweisen. , Damit die Feldstärke der beiden Dipolantennen D_e und D_m gleich sei, muß die Form der Antennen folgender Gleichung genügen:

in welcher A der Flächeninhalt der Projektion der durchschnittlichen Spulenwindung auf die zur

Spulenachse normale Ebene ist, L = — die im

Bogenmaß ausgedrückte Betriebswellenlänge darstellt, p die Ganghöhe der Spulenwindungen bezeichnet.

Aus dieser Gleichung ergibt sich der Flächeninhalt A der Windungsfläche zu

A = pL. (2)

Diese Gleichung stellt die Grundgleichung der schraubenförmigen Antenne dar, welche einer zur Ausstrahlung zirkulär polarisierter elektromagnetischer Wellen geeigneten Kombination von elektrischen und magnetischen Dipolantennen gleichwertig ist. Es kann zwar auch genau nachgewiesen werden, daß die einander entsprechenden Felder der beiden gekreuzt polarisierten Wellen einen Phasenunterschied von 90⁰ aufweisen, jedoch ergibt sich dies schon aus der Gleichung (2). Die Gleichung zeigt nämlich, daß das gegenseitige Verhältnis der beiden Felder in linearer Abhängigkeit von der Wellenlänge bzw. Frequenz ist, welche ihrerseits untrennbar von einem Phasenunterschied von 90⁰ ist. Die Drehrichtung der zirkulären Polarisation hängt von der Phasenfolge der gekreuzten Komponenten der Drehfelder der elektrischen und magnetischen Dipolantennen ab und wird durch den Wicklungssinn der Spule bestimmt.

Falls die Windungen der Spule gleich sind, muß jede Windung gemäß der Gleichung (2) bemessen werden. Es ist aber nicht notwendig, die Windungen gleichzugestalten, da es zur Erreichung einer angenähert zirkulären Polarisation genügt, wenn das Verhältnis zwischen der durchschnittlichen Windungsfläche, der durchschnittlichen Ganghöhe und der Wellenlänge der Gleichung (2) entspricht, wobei vorausgesetzt wird, daß der Strom in allen Windungen annähernd gleich ist.

Die obigen Bedingungen für die zirkuläre Polarisation beruhen auf der Annahme, daß die ganze Strahlung vom schraubenlinienförmigen Leiter 10 herrührt, und daß die Stromverteilung in jeder Windung der Spule gleichförmig ist. Die letztere Annahme erfordert, daß jede Windung kürzer sei als die Resonanzlänge des Leiters, welche etwa eine halbe Wellenlänge beträgt. Im Idealfall sollte der »20 Durchmesser der Spule so klein sein, daß die Resonanzlänge des Leiters für mehrere Windungen ausreicht, wobei also der Spulendurchmesser nur einen Bruchteil der im Bogenmaß ausgedrückten Betriebswellenlänge beträgt. Ein zu einer der Gleichung (2) entsprechenden Spule gewickelter Leiter, dessen

Länge gleich einer halben Wellenlänge ist, ergibt beispielsweise eine Spule mit folgendem Halbmesser α und folgender axialer Länge b:

² j, ^L a = ■ b = —

π 2«

π nL b = — α = —

(3)

wobei η die Windungszahl der Spule ist. Die

ίο Strahlung eines derartig geformten Antennenleiters ist auf jeden Fall zirkulär polarisiert. Die Stärke des Leiters kann einen ansehnlichen Bruchteil der Ganghöhe ausmachen.

Beim Anschließen eines Senders oder Empfängers

»5 an eine Antenne gemäß Fig. ι a müssen Vorkehrungen getroffen werden, um eine Beeinträchtigung der zirkulären Polarisation der Strahlung durch die etwa von den Zuleitungen ausgehenden Strahlungen zu verhindern. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2 a ist die erfindungsgemäße Antenne mittels einer in der Xähe ihres Halbierungspunktes angeschlossenen, aus zwei parallelen Leitern bestehenden ausgeglichenen Leitung 11 und der Schleife 12 mit dem Sender oder Empfänger 13 verbunden.

Zwecks Platzersparnis kann man die äußersten Windungen der Spule, welche zur Strahlung wenig beitragen, weglassen und durch eine kapazitive Belastung ersetzen, wie dies in Fig. 2 b dargestellt ist. Die Länge der hier gezeichneten Spule ist kürzer als diejenige Länge, welche dazu erforderlich ist, daß die Eigenwelle der Spule mit der Betriebswellenlänge übereinstimmt, jedoch wird die Resonanz durch die an die Enden der Spule angeschlossenen, in zur Spulenachse normalen Ebenen radial angeordneten leitenden Speichen 14 erreicht. Diese tragen nur unwesentlich zur Strahlung bei und beeinträchtigen daher kaum die zirkuläre Polarisation der Strahlung.

Bei den in Fig. 2c und 2 a dargestellten Aus· führungsformen haben die Antennen eine Länge, welche das zur Erzielung der Resonanz erforderliche Maß übersteigt, und der überschüssige Blindwiderstand der Antenne ist durch Kondensatoren ausgeglichen. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2C sind diese Kondensatoren 15 in die Zuleitung der Antenne eingeschaltet. Bei der Anordnung gemäß Fig. 2d, bei welcher die Antenne noch länger ist, sind die Kondensatoren 16 zwischen die Spulenwindungen selbst eingefügt, und zwar vorzugsweise an voneinander höchstens um je eine Viertelwellenlänge entfernten Punkten des Antennenleiters 10, damit die Stromverteilung zwischen den einzelnen Kondensatoren ziemlich gleichförmig sei.

Bei der Anordnung gemäß Fig. 3 a ist die Länge der die Antennenspule mit dem Sender oder Empfänger 21 verbindenden ausgeglichenen, offenen Leitung 20 einer halben Wellenlänge gleich, und die Leitung ist durch das Innere der unteren Hälfte der Antennenspule geführt, damit sie mittels sehr kurzer 6e Zuleitung mit den Klemmen 22 der Antenne verbunden werden kann. An die Leitung 20 sind kurzgeschlossene Stichleitungen 24 angeschlossen, welche etwaige unausgeglichene Ströme der Leitung von der Antenne fernhalten. Die Länge dieser Stichleitungen ist einer Viertelwellenlänge gleich. Eine ähnliche, jedoch symmetrisch ausgebildete Anordnung ist in Fig. 3 b dargestellt. Hier erstreckt sich die Leitung 20 durch die ganze Antennenspule, und an ihr freies Ende sind zusätzliche Stichleitungeri 25 angeschlossen. Bei den Anordnungen gemäß Fig. 3 a und 3 b können die etwa zwischen der Antenne und der Leitung 20 fließenden kapazitiven Ströme, welche in der Leitung nicht ausgeglichen werden, eine der elektrischen Dipolstrahlung der Antenne entgegenwirkende Strahlung hervorrufen. Dem kann man durch eine geringfügige Vergrößerung der Ganghöhe der Spulenwindungen begegnen. Fig. 4 zeigt eine unausgeglichene Antennenanordnung. Hier ist die Antennenspule gegen die die Spule mit dem Sender oder Empfänger 29 verbindende konzentrische Leitung 28 mittels eines nicht strahlenden Schirmes abgeschirmt, der aus quer zur Spulenachse angeordneten leitenden Speichen 27 besteht, deren Länge einer Viertelwellenlänge gleicht. Der Innenleiter der Leitung 28 ist mit dem unteren Ende der Antennenspule verbunden, während ihr Außenleiter mit den Speichen 27 in Verbindung steht.

Bei allen oben beschriebenen Ausführungsformen der Erfindung besteht die Antenne aus einer Spule mit mehreren Windungen. Zwecks Erzielung eines höheren Wirkungsgrades der Antenne müssen ihre Abmessungen mit der im Bogenmaß ausgedrückten Wellenlänge vergleichbar sein. LJm dies bei einer Antenne zu erreichen, deren Eigenwelle der halben Betriebswellenlänge gleicht, darf die Spule nur aus sehr wenigen Windungen oder gar nur aus einem Teil einer einzigen Windung bestehen. Dies kann durch die aus mehreren Leitern bestehende Antenne gemäß den Fig. 5 a und 5 b verwirklicht werden.

Die dargestellte Antenne besteht aus vier gleichen, schraubenlinienförmigen, gleichachsigen Leitern 35, 36, 37 und 38. Zwecks Aufrechterhaltung der axialen Symmetrie der Stromverteilung sind die Leiter in bezug auf ihre gemeinsame Achse symmetrisch angeordnet und an den entgegengesetzten Polen des von ihnen gebildeten magnetischen Dipols parallel geschaltet. Fig. 5 b, welche die Ansicht der Antenne von oben darstellt, zeigt die speichenförmig angeordneten und in deren Mittelpunkt miteinander no vereinigten Endverbindungen der Leiter. Die Leiter haben alle dieselbe Länge und bilden je eine halbe Windung. Diese Länge entspricht der Hälfte der Betriebswellenlänge, so daß die Antenne auf die Betriebswellenlänge abgestimmt ist. Die Stärke der Leiter kann einen wesentlichen Teil der Ganghöhe ausmachen, darf aber nicht so groß sein, daß sie das magnetische Feld beeinträchtigt oder eine zu große Kapazität der Antenne herbeiführt. Die zur Parallelschaltung der Leiter dienenden radialen Endverbindungen tragen zur Strahlung nicht bei, bilden jedoch eine kapazitive Belastung. Jeder Leiter ist so bemessen, daß er der Grundgleichung (2) entspricht, wobei die Ganghöhe infolge der Tatsache, daß die Leiter nur halbe Windungen bilden, größer wird als die gesamte axiale Länge der

Antenne. Die Gleichungen (3) und (4) sind hier nicht anwendbar, da ein erheblicher Teil der Länge jedes Leiters auf die radialen Endverbindungen entfällt. Der Durchmesser der Antenne kann hier überdies die im Bogenmaß ausgedrückte Betriebswellenlänge

etwas übersteigen und beträgt etwa 1,2 —, während

die axiale Länge der Antenne etwa 0,6 — beträgt.

ίο Die aus mehreren Leitern bestehende, in ihrer Eigenwelle mit der Betriebswellenlänge übereinstimmende Antenne hat das beste Strahlungsvermögen und infolgedessen den besten Wirkungsgrad, wenn ihre Windungszahl V₄ bis 1 beträgt und ihre axiale Länge etwa gleich ihrem Halbmesser ist. Eine solche Mehrleiterantenne kann als eine Spule mit η Windungen angesehen werden, wobei η die Zahl der von jedem der parallel geschalteten Leiter gebildeten Windungen bedeutet und einen Wert hat,

ao der kleiner als 1 ist. Die zur Herbeiführung der Wirkung einer Spule mit η Windungen erforderliche Anzahl von parallel geschalteten Leitern ist zumindest -. Zur Erzielung der Wirkung einer Spule η

mit einer halben Windung müssen also zumindest vier parallel geschaltete Leiter verwendet werden, wie in Fig. 5a dargestellt, jedoch kann ihre Zahl noch vergrößert werden. Im allgemeinen sind das Strahlungsvermögen und der Wirkungsgrad der Antenne um so besser, je größer die Anzahl der parallel geschalteten Leiter ist.

Die Wirkungsweise der in Fig. 5a dargestellten Mehrleiterantenne ist gleich derjenigen der in Fig. ιa dargestellten Spule. Als die in der Gleichung (2) zu verwendende Windungsfläche A gilt die Grundfläche des die Antenne begrenzenden, strichpunktiert gezeichneten Zylinders.

Die Fig. 6a und 6b zeigen zwei Ausführungsbeispiele des Anschließens einer Mehrleiterantenne. In diesen Figuren sind die schraubenlinienförmigen Antennenleiter der Einfachheit halber geradlinig dargestellt. Bei der Ausführungsform gemäß Fig. 6a ist der Sender oder Empfänger 40 mittels einer an die Mittelklemmen 42 eines der parallel geschalteten Antennenleiter angeschlossenen ausgeglichenen Leitung 41 mit der Antenne verbunden. Bei der Ausführungsform gemäß der Fig. 6b ist die Verbindungsleitung 41 an voneinander entfernte Anzapfungen des einen Antennenleiters angeschlossen, um auf diese Weise eine Widerstandsanpassung zu erzielen. Der Blindwiderstand zwischen den Anzapfungen kann durch in die Leitung eingefügte Kondensatoren 43 ausgeglichen werden. Die Verbindung kann auch mittels einer unausgeglichenen Leitung gemäß Fig. 4 hergestellt werden, wobei die Antenne durch geeignete Bemessung der Leiterlängen oder durch die in den Fig. 2 b und 2 c dargestellte Belastung auf die Betriebswellenlänge abgestimmt werden kann.

Falls die erfindungsgemäßen Antennen zur Herstellung einer gegenseitigen drahtlosen Verbindung zwischen zwei oder mehr Punkten verwendet werden, müssen sowohl die Sendeantennen als auch die Empfangsantennen im selben Sinn gewickelte Spulen darstellen; wenn man sie jedoch in einer mit reflektierten Zeichen arbeitenden Anlage verwenden will, bei welcher die Empfangsantenne nur die reflektierten Zeichen der Sendeantenne empfangen soll, müssen die Leiter der Sendeantennen und der Empfangsantennen im entgegengesetzten Sinn gewickelt sein. Im letzteren Fall empfängt die Empfangsantenne die Zeichen der Sendeantenne nicht unmittelbar, sondern nur nach erfolgter Reflektion, weil die Drehrichtung der Vektoren der zirkulär polarisierten Welle bei der Reflektion umgekehrt wird.

Die in Fig. 7 dargestellte Anordnung ist zum Empfang von aus verschiedenen Richtungen oder aus der gleichen Richtung auf verschiedenen Wegen gekommenen Zeichen geeignet. Die Anordnung enthält zwei im entgegengesetzten Sinn gewickelte Antennen 50 und 52, welche an je einen Empfänger 51 und 53 angeschlossen sind. Die Ausgangskreise dieser Empfänger sind parallel geschaltet und mit einer Misch- und Umschaltkreise enthaltenden Zeichenwiedergabevorrichtung 54 verbunden, wie sie bei ähnlichen schwundausgleichenden Empfangsanordnungen bekannt ist. Infolge des entgegengesetzten Wicklungssinnes der beiden Antennen ist die Anordnung zum Empfang sowohl von zirkulär polarisierten Wellen mit beliebiger Drehrichtung der Vektoren als auch von linear polarisierten Wellen mit beliebiger Winkelstellung der Vektoren geeignet.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Antenne, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus zumindest einem schraubenlinienförmigen Leiter besteht, der so ausgebildet ist, daß der Flächeninhalt der durch die Projektion des Leiters auf eine zur Achse der Schraubenlinie normale Ebene bestimmte geometrische Figur gleich dem Produkt aus der Ganghöhe der Schraubenlinie und der durch 2 π geteilten Betriebswellenlänge der Antenne ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch eine derartige Bemessung der Leiterlänge, no daß die Eigenwellenlänge der Antenne gleich der Betriebswellenlänge wird.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß sowohl ihre axiale Länge als auch ihr Durchmesser kleiner als ihre durch 2π geteilte Betriebswellenlänge ist.

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterlänge das zum Angleichen der Eigenwellenlänge der Antenne an die Betriebswellenlänge erforderliche Maß nicht erreicht und an die Enden der Antenne zum Angleichen der Eigenwellenlänge der Antenne an die Betriebswellenlänge geeignete kapazitive Belastungen darstellende, nicht strahlende Leiterstücke angeschlossen sind.

5. Antenne nach einem oder mehreren der

vorstehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Zuführung aus einer an ihren Halbierungspunkt angeschlossenen ausgeglichenen Leitung besteht.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß an die Antennenzuleitung kurzgeschlossene Stichleitungen angeschlossen sind, deren Länge einem Viertel der Betriebswellenlänge gleicht.

7. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß ihre Zuführung aus einer konzentrischen Leitung besteht, deren Innenleiter mit dem Antennenleiter verbunden ist und deren Außenleiter mit einem zwischen der Leitung und der Antenne angeordneten Schirm in Verbindung steht, der von in einer zur Antennenachse normalen Ebene gelegenen radialen Leiterstücken gebildet ist, deren Länge gleich einem Viertel der Betriebswellenlänge ist.

8. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sie aus mehreren gleichen, zu einer gemeinsamen Achse symmetrisch angeordneten und an ihren Enden miteinander parallel geschalteten schraubenlinienförmig gebogenen Leitern besteht.

9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Stärke der Leiter in der Größenordnung ihres gegenseitigen axialen Abstandes ist.

10. Antenne nach Anspruch 8 oder 9, dadurch gekennzeichnet, daß jeder Leiter höchstens eine einzige volle Windung bildet.

11. Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie η Windungen hat und die

Zahl der sie bildenden Leiter ist, wobei η

η
kleiner als 1 ist.

12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß jeder ihrer Leiter eine halbe Windung bildet.

13. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß ihre axiale Länge gleich ihrem Halbmesser ist.

14. Antenne nach einem oder mehreren der Ansprüche 8 bis 13, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge jedes ihrer Leiter gleich der Hälfte der Betriebswellenlänge ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

O 422 4.