DE901665C - Antennenanordnung - Google Patents

Description

Das Patent 831419 befaßt sich mit einer Antenne geringer Dimension, etwa einem Dipol, dessen Länge klein gegenüber einer halben Wellenlänge ist. Diese Antenne wird von einem Belastungsresonator umgeben, der über seinen ganzen Umfang in der Polarisationsebene weitgehend strahlungsdurchlässig' ist. Eine derartige Anordnung bewirkt eine weitgehende Impedanzanpassung zwischen der Antenne und ihrer Zuleitung.

Die vorliegende Erfindung bezieht sich nun auf besonders zur Erzeugung von Runddiagrammen und umlaufenden achtförmigen Diagrammen geeignete Antennenanordnungen, bei welchen man sich die vorteilhaften Prinzipien der dem Hauptig patent zugrunde liegenden Erfindung zunutze macht. Für die Erzeugung derartiger Drehfunkfeuer sind verschiedene Systeme vorgeschlagen worden. Im allgemeinen umfassen diese Systeme eine Richtantenne, welche ein normales achtförmiges Diagramm erzeugt, und einen Rundstrahler, dessen Energie zusammen mit der achtförmigen Richtcharakteristikein einseitig wirkendesRichtdiagramm nach Art einer Kardioide ergibt. Läßt man nun das Diagramm rotieren und bringt den Nullpunkt der Kardioide zur Anzeige, so wird dadurch eine Richtung festgelegt, entlang welcher ein Fahrzeug auf das Funkfeuer zu oder von diesem weg geführt werden kann.

Um eine ständige Anzeige zu erreichen, ist es notwendig, daß der Umlauf des Diagramms hinreichend schnell vor sich geht. Aus diesem Grunde, ist bei den in der Navigation üblichen Frequenzen die Dimension der Richtantennen zu groß, um diese mit der erforderlichen Geschwindigkeit umlaufen zu lassen.

Ferner existiert bei den meisten Antennen-

systemen für eine einzige Polarisationsrichtung, z. iB. horizontale Polarisation, eine zusätzliche Polarisation senkrecht dazu, welche Fehler im Richtdiagramm hervorruft, die in der Empfangsanordnung entstehen.

Um die Schwierigkeitgroßer umlaufender Systeme zu vermeiden, werden Goniometer angewendet, bei denen eine Spule in einem Feld rotiert, welches durch zwei im rechten Winkel zueinander angeordnete Antennensysteme gebildet wird. Hierdurch wird der Umlauf eines achtförmigen Richtdiagramms bewirkt. Eine derartige Anordnung weist jedoch noch gewisse ihr eigentümliche Fehler auf.

Gegenstand vorliegender Erfindung ist demgegenüber eine Antennenanordnung für Drehfunkfeuer, bei weither das umlaufende Richtdiagramm hervorgerufen wird durch die Drehung einer kleinen Antenne, etwa eines Dipols. Eine wirksame Strahlung einer derart klein bemessenen Antenne läßt sich ohne Schwierigkeit bei Anwendung der Prinzipien des Gegenstands des Hauptpatents erreichen.

Dieser Dipol hat kleine Abmessungen gegenüber der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz, so daß er leicht gedreht werden kann. Zusätzlich ist eine Strahleranordnung vorgesehen, welche das gewünschte Runddiagramm erzeugt, und eine Resonatorenanordnung, welchediegewünschte Impedanzdharakteristik des Systems liefert und gleichzeitig die Polarisation reinigt.

Erfindungsgemäß ist also eine Anordnung vorgesehen, welche eine Dipolantenne umfaßt, deren Länge klein ist gegenüber der halben Wellenlänge der Arbeitsfrequenz, ferner einen die Antenne umschließenden Resonator, der für die Strahlung des Dipols durchlässig ist, und schließlich eine Rundstrahlantenne, welche symmetrisch um den Dipol aufgebaut ist. Der Resonator hat die Form eines Käfigs, der aus leitenden Platten besteht, die durch leitende Stäbe oder einen längs seines Umfangs mit vertikalen Schlitzen versehenen Metallschirm verbunden sein können. Der Rundstrahler besteht aus strahlenden, symmetrisch um den Dipol angeordneten und phasengleich gespeisten Elementen. Diese können zwischen benachbarten Stäben oder leitenden Teilen des Käfigs angeordnet sein.

Der Aufbau des Resonators selbst kann zu Polarisationsfehlern Anlaß geben, zu deren weitestgehender Reduzierung oberhalb oder ober- und unterhalb des Käfigs zusätzlich Vorrichtungen, wie leitende Bleche oder Käfiggebilde, ähnlich der erstgenannten Art vorgesehen sein können. Läßt sich durch den Resonatoraufbau der kapazitive Blindwiderstand des kurzen Dipols nicht vollständig kompensieren, so kann innerhalb des ersten Käfigs ein ebenfalls den Dipol umgebender zweiter Käfig kleineren Durchmessers mit einer Vielzahl von Stäben oder Schlitzen vorgesehen sein. Auf den Stäben dieses kleineren Käfigs ist eine einstellbare leitende Platte derart angeordnet, daß ein innerer Resonator mit induktivem Blindwiderstand gebildet wird, welcher auf den gewünschten, zur Kompensierung des kapazitiven Widerstandes des kurzen Dipols notwendigen Wert einstellbar ist.

Beispielsweise Ausführungen der Erfindung, die der näheren Erläuterung des Erfindungsgedankens dienen, sind in den Zeichnungen dargestellt. Hierin zeigt im einzelnen

Fig. ι eine Darstellung des Aufbaues einer Gesamtanlage, gesehen von der Linie I-I (Fig. 2), wobei gewisse Elemente der Übersichtlichkeit halber weggelassen sind,

Fig. 2 die Antennenkonstruktion selbst, die die Wirkungsweise besonders deutlich erkennen läßt, Fig. 3 die Speisungsart der Rundstrahlantenne,

Fig. 4, 5 und 6 eine Veranschaulichung der Entstehung und Kompensation der Polarisationsfehler,

Fig. 7 eine andere Ausführung der Antennenanordnung.

Fig. ι zeigt einen Faltdipol 1 mit einer Speiseleitung 2, die über ein rotierendes Kopplungsteil 3 an die koaxiale Speiseleitung 4 angekoppelt sein kann. Am Fußpunkt der Leitung 2 ist eine erste leitende Platte 5. und im Abstand darüber eine zweite Platte 6 angebracht. Die Platten 5 und 6 sind durch eine Anzahl von Stäben 7 verbunden. Hierdurch wird eine als Resonator wirkende Anordnung gebildet, der als durch den Dipol 1 angeregter Strahler angesehen werden kann. Der Abstand zwischen den Platten 5 und 6 ist vorzugsweise go etwas größer als A/2 der Mittelfrequenz. Der Abstand der Stäbe 7 voneinander ist genügend eng, um ein wirksames Polarisationsfilter zu bilden, so daß nur die horizontal polarisierte Energie durchgeht. Je zwei benachbarte Stäbe 7 bilden im wesentlichen die Begrenzungen eines kurzen Abschnitts eines Wellenleiters, welche als Strahler wirken. Da dieser langer als eine halbe Wellenlänge ist, wird er Strahlungsenergie des TE₁₀-Typs frei durchgehen lassen. Wegen seiner Resonanzeigenschaft bewirkt der Resonator eine Impedanzanpassung an den freien Raum.

Da die Antenne 1 kurz ist gegen die Wellenlänge, weist sie einen kleinen Strahlungswiderstand und hohen kapazitiven Blindwiderstand auf und hat demzufolge einen schlechten Wirkungsgrad. Der Resonator, welcher aus den Platten 5 und 6 und den Stäben 7 gebildet wird, gleicht diese Mangel nicht voll aus. Um die Antenne richtig zu belasten und die gewünschte Kompensation zu erreichen, no ist ein zweiter oder innerer Käfig vorgesehen, bestehend aus einer Anzahl von ebenfalls zwischen den Platten 5 und 6 liegenden Stäben 8, die konzentrisch zu den Stäben 7 auf kleinerem Radius angeordnet sind. Eine bewegliche, einstellbare Platte 9 ist an den Stäben 8 angebracht. Diese Platte wird so eingestellt, daß sie die zur Erzielung der Kompensation des kapazitiven Blindwiderstandes und damit des gewünschten StraMungs-Avirkungsgrades erforderliche Resonanzbelastung für den Dipol 1 bewirkt. Die Platte 9 und die Stäbe8 bilden zusammen mit Platte 5 einen zweiten Resonator um den Dipol 1. Wenn die Platte 9 richtig justiert ist, um den kapazitiven Blindwiderstand des Dipols 1 zu kompensieren, wird der Abstand zwischen dfen Platten 9 und 5 weniger als Xl2

der Mittelfrequenz betragen, so daß die Resonatorwirkung induktiv sein wird. Wiederum bildet der Zwischenraum zwischen benachbarten Stäben 8 und den Platten 9 und S einen kurzen Abschnitt eines Wellenleiters. Dieser Wellenleiter wird eine gewisse Filterwiikung aufweisen und damit den Betrag der vom Resonator abgestrahlten Energie vermindern. Da jedoch die Länge des Wellenleiters sehr kurz ist, so wie er sich aus dem Durchmesser der Stäbe 8 bestimmt, wird dieser Effekt vernachlässigbar sein. Nachdem dieses Resonatorgebilde abgeglichen ist, kann immer noch eine kleine FeM-anpassung zwischen der ganzen Antennenanordnung und der Energieleitung 4 vorhanden sein. In diesem Fall kann ein Anpassungsübertrager in die Leitung gelegt werden. Dieser kann beispielsweise in der rotierenden Kopplungsvorrichtung 3 untergebracht werden. Eine gewisse Anzahl der Stäbe 8 können als Hohlleiter ausgeführt werden, wie bei 10, 11,

ao 12 und 13 dargestellt. Diese dienen dann als koaxiale Energieleitungen zur Speisung der Antenneneinheiten 14, 15, 16 bzw. 17 (Fig. 2 und 3), die zwischen den erwähnten Hohlleitern und den nächstgelegenen Stäben 8 angebracht sind. Es sind getrennte Speiseleitungen 18, ig, 20 und 21, jede von genau gleicher Länge, vorgesehen, um diesen Antenneneinheiten die Energie vom gemeinsamen Kabel 22 gleichphasig zuzuführen.

Die bis jetzt beschriebene Anordnung ruft umlaufendes Achterdiagramm sowie ein Runddiagramm hervor, welche im wesentlichen horizontal polarisiert sind. ,Wiegen der Resonatorwirkung selbst kann jedoch ein gewisser Betrag vertikaler Polarisation von dem Gebilde abgestrahlt werden, und zwar wegen der Strahlung um die oberen und unteren Enden des Resonatorkäfigs. Zum Verständnis des Zustandekommens und der Kompensation dieser Vertikälpolarisation mögen die Fig. 4, 5 und 6 dienen.

Nach Fig. 4 kann die von dem aus den Platten 5 und 6 und den Stäben 7 bestehenden Resonator ausgehende Strahlung allgemein durch den Verlauf der Kurven 23 und 24 dargestellt werden. Man sieht, daß die Linien der elektrischen Feldstärke, welche sich um den Teil des Resonators schließen, der durch die Stäbe 7 gebildet wird, genau horizontal polarisiert sind. Einige der Feldlinien jedoch, wie bei 24 gezeigt, schließen sich über die Enden des Resonators. Da diese Linien in der Vertikalebene liegen oder Komponenten in dieser Ebene haben, verursachen sie die zusätzliche Anregung entsprechender vertikal polarisierter Komponenten. Diese senkrecht polarisierteiEnergie läßt sich jedoch, wie festgestellt wurde, durch Anbringung von Verlängerungen 25 (Fig. 5) in dem Hauptresonatorkäfig auf einen unwesentlichen Betrag reduzieren. Es kann angenommen werden, daß dies, wie in Fig. 5 dargestellt, durch die Verlängerung dadurch bewirkt wird¹, daß die zusätzlichen Feldlinien sich um den Zylinderresonator schließen. Da die Strahlungsdämpfung der Antenne sehr groß ist, wird die Energie bei ihrem Weg längs der Verlängerungsstücke so stark gedämpft, daß etwaige Kraftlinien an den Endplatten nur vernachlässigbar kleine Vertikalkomponenten hervorrufen können.

Fig. 6 veranschaulicht die Wirkung der elektrischen Feldlinien der Rundstrahlschleife 26, die eine A^ereinfachte Darstellung an Stelle der getrennten Leiter 14 bis 17 nach Fig. 1 bis 3 ist. Solange die Schleifenelemente _ so kurz sind, daß die Energie, die ihnen zugeführt wird, nahezu konstant über ihre Länge ist, wird praktisch nur horizontal polarisierte Energie von ihnen abgestrahlt. Sofern diese Bedingung von dem Ruridstrahler erfüllt wird, kann dieser an irgendeiner Stelle entweder innerhalb oder außerhalb des Käfigs um den Dipol herum angebracht werden. Für den Fall, daß noch irgendwelche vertikalpolarisierte Komponenten im Rundstrahler existieren sollten, ist es wünschenswert, diesen Strahler innerhalb des Resonatorkäfigs anzubringen, so daß diese Komponenten wirksam unterdrückt werden.

In Fig. ι sind diese Verlängerungen als Platten 27 und 28 dargestellt. Diese sind mit den Platten 5 bzw. 6 mittels der Stäbe 29 und 30 verbunden. Die ganze Antennenanordnung kann unmittelbar auf dem Erdboden oder einem geeigneten Unterbau, wie 31, montiert werden.

Während Fig. 1 eine Vorstellung von dem Aufbau gemäß der Erfindung gibt, sollen die Fig. 2 und 3 ein besseres Verständnis von der Speisung der Antennenelemente 14, 15, 16 und 17 vermitteln. Aus diesen Figuren kann entnommen werden, daß die Innenleiter und Energieleitungen 18, 19, 20 und 21 durch die Stäbe 10, 11, .12 und 13 hochgefüJhrt sind und durch öffnungen zu den nächstgelegenen Stäben überkreuzen. Auf diese Weise kann die Speisung verhältnismäßig einfach bewerkstelligt werden. Das Diagramm des Dipols 1 ist allgemein in Fig. 2 gezeigt und mit 28 gekennzeichnet, während das von den Elementen 14, 15, 16 und 17 hervorgerufene Runddiagramm mit 29 gekennzeichnet ist. Diese beiden Diagramme zusammen bewirken ein Kardioidendiagramm 30. Mittels einfacher Rotation des Dipols 1 kann die Kardioide um jeden gewünschten Betrag gedreht werden.

Bei einem Antennenmodell für den Bereich von 700 bis 800 MHz wurde der Dipol X/το lang gemacht und ausgelegt für den Antrieb durch einen Motor von 1800 Umdr./min. Der innere Käfig hatte einen Durchmesser von der Größenordnung einer halben Wellenlänge der Mittelfrequenz, und der Abstand der Stäbe 7, 22, 25 und 26 betrug etwa ein Zehntel der Wellenlänge.

Es ist zu bemerken, daß ausschließlich der Dipol selbst zu rotieren braucht, während der übrige Teil der Anordnung fest bleibt. Es wurde festgestellt, daß diese Anordnung eine gute Widerstandsanpassung zwischen dem Dipol und einer 50-Ohm-Speiseleitung lieferte, während der maximale Strahlungswiderstand des Dipols ohne Belastungsresonator in der Größe von 2 bis 3 Ohm liegt. Die Fehlanpassung dieser Antenne im Bereich von 730 bis 785 MHz war kleiner als 2:1.

Eine ähnliche, für das Frequenzband von 112 bis 118 MHz und für ©ine Drehung mit 1800 Umdr./min

vorgesehene Anordnung lieferte ebenfalls zufriedenstellende Ergebnisse bei einer Verbesserung von mehreren hundert Prozent gegenüber den für Drehfunkfeuer bisher üblichen Antennengebilden. In Fig. 7 ist eine andere Ausführung der Antenne gezeigt, bei welcher die umhüllende Form aus einem zylindrischen Blech 31 besteht, das an den Enden durch die Platten 32 und 33 abgeschlossen ist und eine Mehrzahl von Schlitzen 34 aufweist. Diese Schlitze sind entsprechend den· öffnungen zwischen den Stäben gemäß Fig. 1 dimensioniert. Ober- und unterhalb des Resonatorkäfigs können Verlängerungen 35 und 36 angebracht werden, die als Blechzylinderteile dargestellt sind. In diesen ¹S Verlängerungen brauchen keine Schlitze vorgesehen zu werden, da sie ihren Zweck auch ohne diese erfüllen. Natürlich könnten die Verlängerungen in der Anordnung nach Fig. 1 ebensogut aus· Vollblech bestehen; in diesem Fall aber ist deren Herstellung aus Stäben geeigneter. Außerdem ist die offene Ausführung leichter und bietet weniger Windwiderstand.

Ein innerer Käfig 37 kann in gleicher Weise in Form eines zylindrischen Bleches mit Schlitzen 38 ausgeführt sein und der veränderliche Wandteil in Form eines Kurzschlußschiebers 39, welcher so eingestellt wird, daß er die erforderlichen: Schlitzlängen freigibt. Der Dipol innerhalb des Käfigs 37 kann dem der Anordnung nach Fig. !entsprechen, wie auch die Rundstrahlantenne, die von quer zu einigen der Schlitze 38 liegenden Leitungen gebildet wird, sowie dessen Speisung. Es ist klar, daß gegebenenfalls jede Kombination der Stabkonstruktion nach Fig. 1 und der Blechkonstruktion nach Fig. 7 verwendet werden kann.

An diesem beschriebenen beispielsweisen Ausführungsformen können natürlich noch zahlreiche Veränderungen vorgenommen werden, ohne dadurch den Rahmen der Erfindung zu verlassen. So können beispielsweise verschiedene Typen von Rundstrahlern verwendet werden, wobei jedoch auf eine gute Horizontalpolarisation und eine derartige Anbringung zu achten ist, daß unerwünschte Veränderungen des Richtdiagramms nicht auftreten. Die Grundgedanken der Erfindung sind prinzipiell für jede beliebige Wellenlänge anwendbar.

Claims (13)

Patentansprüche:

1. Antennenanordnung nach Patent 831 419, die eine Sendeantenne, vorzugsweise einen Dipol aufweist, deren Ausdehnung klein gegenüber II2 ist, und einen diese Antenne umschließenden Resonator, dessen Umfang für die Antennenstrahlung praktisch durchlässig ist, gekennzeichnet durch ein achtförmiges Strahlungsdiagramm dieser Sendeantenne und durch eine zusätzliche Rundstrahlantenne, die symmetrisch zu der ersten angeordnet ist.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator zwei leitende Platten oder Platten mit leitendien Oberflächen aufweist, die an entgegenliegenden Seiten des Strahlers mit achtförmiger Charakteristik angeordnet sind und mit einer Mehrzahl von leitenden, diesen Strahler umgebenden Stangen oder durch einen diesen Strahler umschließenden Zylinder mit einer Mehrzahl von Schlitzen verbunden sind, wobei die Stangen bzw. die Zylinderschlitze senkrecht zu der Polarisationsebene des Strahlers liegen.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Rundstrahlantenne aus symmetrisch um den Dipol angeordneten, gleichphasig erregten Strahlungselementen besteht.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der als Polarisationsfilter wirkende Resonator am oberen uinid/oder unteren !Ende eine Verlängerung bzw. Verlängerungen aufweist, die irgendwelche senkrecht zur Polarisationsebene polarisierte Strahlungskomponenten unterdrückt.

5. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß ein weiterer Resonator vorgesehen ist, der an seinem Umfang ebenfalls strahlungsdurchlässig und derart abstimmbar ist, daß er dem kapazitiven Strahlerwiderstand kompensiert.

6. Autennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die von dem Rund- g₀ strahler ausgestrahlte Energie in der gleichen Ebene wie der Richtstrahler polarisiert ist.

7. Antennenanordlming nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Resonator konzentrisch zur Dipolmitte angeordnet ist.

8. Antennenanordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe bzw. Schlitze untereinander gleiche Abstände aufweisen, die klein gegenüber der halben Wellenlänge sind.

9. Antisnnenanordnung nach Anspruch 1 zur Erzeugung eines umlaufenden, einseitig gerichteten Strahlungsdiagramms, dadurch gekennzeichnet, daß die Richtantenne, z. B. Dipol, drehbar ist.

10. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß Teile des inneren Resonators als Speiseleitungen, insbesondere für die Rundstrahlantenne, ausgebildet sind.

it. Antennenanordnung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß einzelne Stäbe wenigstens zum Teil als Koaxialleiter dienen.

12. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung des Resonators bei dessen Ausführung mit seitlichen Stäben durch eine zusätzliche, die Stäbe kurzschließende Platte erfolgt.

13. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstimmung des Resonators bei dessen Ausführung mit geschlitztem Mantelblech durch ein verschiebbares Mantelteil erfolgt, mit dessen Hilfe sich die Schlitzlänge verändern läßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen