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Aus einer Kettenschaltung von Strahlern bestehende Breitbandantenne
Um bei Antennen starke Bündelungseigenschaften zu erzielen, benutzt man die Kombination
Bleich-oder verschiedenphasig gespeister Strahler, die über Leitungsgebilde miteinander
verbunden sind. Es entstehen so aus Dipolgruppen bestehende Kettenstrahler, bei
denen die Dipole durchlaufend mit Leitungsstücken von der Länge n - A/2
(n = 1, 2, 3 usw.) verbunden sind und die Speisung dieser Strahlerketten
von einem Ende dieser Ketten aus erfolgt. Die Kettenschaltung mehrerer Strahler
ergibt bei bestimmter Frequenz einen verhältnismäßig hohen Leistungsgewinn, der
jedoch bei Frequenzabweichung stark abnimmt. Der Gewinnabfall ist zum Teil bedingt
durch die wachsende Fehlanpassung der Strahler an die Verbindungsleitungen. Zu diesem
Zweck ist es bereits bekannt, bei derartigen Antennen die Dipole so mit Blindwiderständen
zu kombinieren, daß ihr Wellenwiderstand gleich dem Wellenwiderstand der Verbindungsleitungen
ist. Nachteilig ist jedoch bei solchen Antennen noch der Phasengang der Verbindungsleitungen,
so daß die Antennen sehr schmalbandig werden, d. h. nur in einem bestimmten Frequenzbereich
gut brauchbar sind.
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Bekannt sind solche aus einer Kettenschaltung von Strahlern bestehenden
Antennen auch bereits im Gebiet der Dezimeter- und Zentimeterwellen, in dem die
Strahler beispielsweise durch Schlitze in einem Hohlleiter gebildet werden. Mit
Vorteil werden hierbei Hohlleiter mit rechteckförmigem Querschnitt verwendet, in
deren Breitseite schräg zur Leitungsachse verlaufende Schlitze in bestimmten Abständen
voneinander angebracht sind. Diese Schlitze sind hierbei so dimensioniert und zur
Leitungsachse geneigt, daß ihr charakteristischer Widerstand dem
der
Leitung angepaßt ist. Auf diese Weise werden zwar Antennen mit guter Bündelungsschärfe
und großem Gewinn, aber keine Antennen mit guter Breitbandigkeit erzielt.
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Bei einer aus einer Kettenschaltung von Strahlern bestehenden Breitbandantenne,
bei der die Strahler durch Leitungen, Vierpole aus konzentrierten Schaltelementen
od. dgl. miteinander verbunden sind, sind gemäß der Erfindung die Strahler, gegebenenfalls
durch eine entsprechende Ergänzung, so zu einem Vierpol ausgebildet, daß sie einen
im Vergleich mit den die Strahler verbindenden Gliedern entgegengesetzt verlaufenden
Phasengang bzw. eine entgegengesetzt verlaufende Phasensteilheit aufweisen, wobei
die Beträge der beiden Phasensteilheiten in einem breiten Frequenzbereich einander
gleich sind. Da Leitungen, insbesondere solche mit Hochpaßcharakter, immer einen
positiven Phasengang aufweisen, werden Strahlervierpole benötigt, die in einem möglichst
großen Frequenzbereich eine negative Phasensteilheit besitzen.
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Aus der Vierpoltheorie ist bekannt, daß Vierpole mit reinen Blindwiderständen
niemals negativen Phasengang, sondern nur einen negativen Phasensprung aufweisen
können. Führt man jedoch in ein solches Netzwerk endliche Verluste ein, dann geht
der negative Phasensprung in einen kontinuierlich verlaufenden negativen Phasengang
über. Unter den möglichen Schaltungen erscheint als vorteilhaft beispielsweise die
Abzweigsperre nach Fig. z, weil bei ihr die Dämpfung bei einer mittleren Frequenz
durch ein Maximum geht, die Phase durch Null läuft und der Wellenwiderstand ohmisch
wird. Solche Vierpolstrahler können beispielsweise durch die Kombination von zwei
oder mehr Strahlerelementen oder durch ein Strahlerelement in Verbindung mit wenigstens
einem Blindwiderstand gebildet werden. Es ist aber auch möglich, bei Strahlern,
z. B. bei Schlitzstrahlern, die Form so zu wählen, daß die Strahler Vierpoleigenschaften
mit negativem Phasengang besitzen.
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Bei der Breitbandantenne gemäß der Erfindung kann für die Einzelstrahler
ein einfacher Strahlervierpol aus Resonanzgliedern, z. B. Strahlerelementen, insbesondere
in der Form einer Bandsperre nach Fig.2 mit auf die gleiche Frequenz abgestimmten
Resonanzgliedern gewählt werden. Ein solcher Vierpol ist so zu dimensionieren, daß
er; einen negativen Phasengang aufweisend, bei einer bestimmten Frequenz, z. B.
bei der mittleren Betriebsfrequenz (Bandmittenfrequenz), einen reellen Wellenwiderstand
besitzt. Der Verlauf der Phase a dieses Vierpols ist in Fig. 3 abhängig von der
Frequenz oa dargestellt. a nimmt mit wachsender Frequenz bis zu einem Maximalwert
zu, sinkt bei der mittleren Betriebsfrequenz u),. auf Null und erreicht dann einen
negativen Maximalwert, der bei der Frequenz co = co wieder gegen Null steigt. In
der Nähe der Bandmitte ändert sich a praktisch linear mit negativer Steilheit.
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Es läßt sich zeigen, daß Kettenstrahler mit an die Verbindungsleitungen
angepaßten Strahlern und mit konstanter abgestrahlter Leistung je Strahler möglich
sind. Ist m die Zahl der Strahlervierpole plus Abschlußwiderstand, so erhält man
folgende Bemessung des Strahlervierpols nach Fig.2 für kleine Dämpfung b
(ZO = Wellenwiderstand des Vierpols) Aus Gleichung (z) folgt, daß
wird; die Größe ist aber bei z-Gliedern nach Fig. 2 gleich C5itt b,
also ein Maß für die Dämpfung b. Ist die Gliedzahl m der Kette
groß, so wird die Dämpfung b
klein und
Diese Größe wird vorteilhafterweise bei der Berechnung der Strahlervierpole benutzt,
wobei noch die Güte
des Schwingkreises bzw. des Strahlers eingeführt wird. Es ergibt sich so eine Phasensteilheit
für den Strahlervierpol
mit wobei a) die jeweilige Frequenz ist. Die einzelnen
Strahlervierpole werden mit Zwischengliedern, beispielsweise mit Leitungen untereinander
verbunden.
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Bei sehr kurzen Wellen werden als Strahlerelemente vorzugsweise Schlitze
in Hohlleitungen verwendet, die z. B. längs eines Hohlleiters in bestimmten Abständen
in der Hohlleiterwand angebracht sind. Für solche Schlitzstrahlergruppen (Kettenstrahler)
hat die Erfindung besondere Bedeutung, da es sich hierbei um mit Leitungsstücken
verbundene Strahler handelt.
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Es ist bereits bekannt, die Lage und Richtung der Schlitze in der
Hohlleiterwand so zu bestimmen, daß ihr Strahlungswiderstand dem der Hohlleiter
angepaßt ist. Den Strahlungswiderstand solcher Schlitzstrahlerelemente kann man
beispielsweise dadurch verändern, daß man den Schlitz in der Wandung des Hohlleiters
schräg zur Leitungsachse anordnet, wie dies beispielsweise aus Fig. q. zu ersehen
ist.
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Gemäß der Erfindung werden nun die Abmessungen solcher Schlitze, d.
h. ihre Länge und Breite und ihre Lage zur Leitungsachse so bemessen, daß die Steilheit
des Phasengangs der Hohlleitung dem Betrage nach gleich der Steilheit des Phasengangs
der Schlitzstrahler ist. Bekanntlich ist die Wellenlänge !I einer elektromagnetischen
Welle in einem Hohlkabel gleich
wobei A. gleich der Betriebswellenlänge und
mit 0)g gleich Grenzfrequenz des Hohlleiters. Die Rohrlänge für die mittlere Halbwellenlänge
beträgt demnach
(o gleich mittlere Frequenz). Daraus berechnet sich das Phasenmaß
und die Phasensteilheit
Durch Verändern der Hohlrohrgrenzfrequenz co, kann man demnach erreichen, daß der
durch die Schlitzstrahler bewirkte Phasengang kompensiert wird. Andererseits aber
läßt sich bei schräg zur Leitungsachse gestellten Schlitzen oder bei aus Längs-
und Querschlitzen bestehenden Strahlern durch entsprechende Dimensionierung, insbesondere
der Schlitzbreite, Schlitzlänge und der Lage des Schlitzes, die Phasensteilheit
der Strahler in gewissen Grenzen wählen. Die in Frage stehenden Größen können nach
bekannten Rechenverfahren ermittelt werden, so daß daraus auch die Phasensteilheit
abgeleitet werden kann. Auch experimentell kann die Kompensation der zwei Phasengänge
eingestellt werden.
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Ein Ausführungsbeispiel gemäß der Erfindung für eine aus einer Hohlleitung
mit Schlitzen bestehende Breitbandantenne ist in Fig. 5 wiedergegeben. Der Hohlleiter
besitzt, wie die Figur zeigt, eine gegen das Ende zu abnehmende Breite, so daß auf
Grund der unterschiedlichen Grenzfrequenz co, die Größe der Phasensteilheit für
jeden Ort der Leitung entsprechend bestimmt ist und die Phasenverschiebungen in
Verbindung mit den hier T-förmig ausgebildeten Schlitzstrahlern kompensiert werden.
Eine derartige Gestaltung des Hohlleiters ist, aber im Falle, daß man mehrere solche
Strahlergruppen nebeneinanderzusetzen wünscht, nicht immer günstig: Man bildet daher
mit Vorteil die Hohlleiter so aus, daß ein Teil des sich nach der Breite erstreckenden
Hohlleiterteils längs der in Fig. 5 gestrichelt gezeichneten Linie z. B. senkrecht
zur Breitseite des Hohlleiters nach der der Strahlerfläche abgekehrten Seite umgebogen
wird. Fig. 6 stellt einen derartig ausgebildeten Hohlleiter dar. Ein symmetrisch
ergänzter Hohlleiterschlitz-Strahler ist in Fig. 7 gezeigt. Durch Nebeneinandersetzen
mehrerer solcher Strahlergruppen kann eine Breitbandschlitzflächenantenne hergestellt
werden, wobei es von Vorteil sein kann, jeden der Hohlleiterteile mit Rücksicht
auf phasengleiche und frequenzunabhängige Speisung über unter sich gleiche Verbindungskabel
mit der Speiseleitung zu verbinden.
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Bei mehreren an eine Speiseleitung angeschlossenen Strahlergruppen
ist es möglich, diese Strahlergruppen in Kettenschaltung an die Speiseleitung zu
legen. Es ist dann darauf zu achten, daß jede Strahlergruppe an ihrem Speisepunkt
Vierpolcharakter mit negativem Phasengang aufweist. Die diese Strahlergruppen verbindenden
Leitungsstücke sind dann so zu dimensionieren, daß sie einen entgegengesetzten Phasengang
von gleicher Phasensteilheit aufweisen.
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Die Erfindung hat insbesondere große Bedeutung auch für mit beliebigen
Leitungen, z. B. Doppel-Leitungen oder koaxialen Leitungen verbundene Dipolgruppen.
Es ist bekannt, daß für einen Dipol, der im Gebiet seiner Spannungs- oder Stromresonnanz
arbeitet, ein Parallel- oder Serienschwingkreis als Ersatzschaltbild angegeben werden
kann. Der Strahlungswiderstand eines Dipols stellt dann den Verlustwiderstand des
Schwingkreises dar. Dipole oder Kombinationen von Dipolen können daher ohne weiteres
so verwendet werden, daß sie Teil eines aus Blindwiderständen bestehenden Vierpols
sind oder den Vierpol selbst darstellen, so daß der Strahlungswiderstand als Verlustwiderstand
in diesen Vierpol eingeht.
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Bei der Antenne nach der Erfindung ist es auch möglich, die Strahlervierpole
und die diese verbindenden Glieder so zu bemessen, daß die Verteilung der abgestrahlten
Leistung längs einer Strahlergruppe nach einer erwünschten Funktion verläuft, um
z. B. die Nebenzipfel des Antennenrichtdiagramms klein zu halten.