DE940909C

DE940909C - Ultrakurzwellenantenne

Info

Publication number: DE940909C
Application number: DEC9271A
Authority: DE
Inventors: Jean Claude Simon; Georges Weill
Original assignee: CSF Compagnie Generale de Telegraphie sans Fil SA
Current assignee: Thales SA
Priority date: 1953-04-24
Filing date: 1954-04-25
Publication date: 1956-03-29
Also published as: CH328619A; FR1081196A; US2927322A; GB751046A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Ultrakurzwellenantenne, bei der längs einer Achse eine Reihe koaxialer Teile angeordnet ist, wobei die Teile aus einem Dielektrikum oder aus Metall bestehen können. Dielektrische Stabantennen mit einem Richtdiagramm in Richtung der Längsachse sind bekannt. Künstliche dielektrische Stabantennen bestehen aus Metallplatten, die parallel zueinander längs einer gemeinsamen Achse angeordnet sind.

ίο Bekanntlich haben solche Stabantennen ein Strahlungsdiagramm, das nicht über eine gegebene Grenze hinaus verbessert werden kann, auch wenn die Länge des Stabes vergrößert wird. Ein Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne der erwähnten Art mit erheblich verbessertem axialem Richtdiagramm.

Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus einer Reihe von Elementen mit einem geometrischen Parameter, der periodisch oder wenigstens quasiperiodisch längs ihrer Längsachse schwankt und so abwechselnd Maxima und Minima aufweist. Demgemäß ist es ein Merkmal der erfindungsgemäßen Antenne, daß der Brechungsindex des Mediums, das diese Elemente bildet, längs seiner Achse von einem Ende zum anderen schwankt, so daß die entsprechende Kurve des Brechungsindex in Abhängigkeit von der Entfernung längs der Achse eine Folge von Maxima und Minima aufweist.

Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einiger Ausführungsbeispiele an Hand der Zeichnung.

Es zeigt

Fig. ι eine erfindungsgemäße dielektrische Antenne im Längsschnitt,

Fig. 2 das Schrägbild einer erfindungsgemäßen künstlichen dielektrischen Antenne,

Fig. 3 und 4- einen Längsschnitt und einen Querschnitt durch eine Ausführungsform des Anregungssystems, .das für die Antenne nach Fig. 2 besonders geeignet ist,

ίο Fig. 5 einen Längsschnitt durch eine andere Ausführungsart einer Anordnung zur Anregung und zur Impedanzanpassung,

Fig. 6 einen Längsschnitt einer anderen Ausführungsform einer erfindungsgemäßen, künstlichen dielektrischen Antenne,

Fig. 7 im Längsschnitt einen Teil einer künstlichen dielektrischen Antenne gemäß der Erfindung,

Fig. 8 Strahlungsdiagramm der erfindungsgemäßen Antenne, worin die Feldstärke ch gegen die Winkeiao entfernung Θ von der Achse aufgetragen ist,

Fig. 9 schematisch eine andere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Antenne und

Fig. 10 die Änderung des Brechungsindex der Antenne nach Fig. 9 längs der Achse. Fig. ι zeigt eine erste Ausführungsform der erfindungsgemäßen Antenne. Es handelt sich um eine dielektrische Antenne, die in Form eines Umdrehungskörpers um die Achse X₁-X₂ aufgebaut ist und aus vier spindelartigen Teilen a_t, a₂, a_s und a₄ besteht, deren jeweilige größte Durchmesser in dieser Reihenfolge abnehmen. Das ßnke Ende dieser Antenne kann in einen Hohlleiter I₁ über ein den Leiter begrenzendes Horn C₁ eingefügt sein.

Fig. 2 zeigt eine andere Ausführungsart der erfindungsgemäßen Antenne, nämlich eine künstliche dielektrische Antenne, die aus einer Folge koaxialer Metallscheiben besteht. Die Scheiben^ und E₁₀, E₂ und E₉, E₃ und E_B usw. haben jeweils gleichen Durchmessei, wobei die Scheibendurchmesser von E₁ bis E₅ und von E₁₀ bis E_e zunehmen. Die Antenne besteht aus vier gleichen Spindeln 1, 2, 3 und 4. Die Scheiben sind von einem Stab T getragen. Die Anordnung wird am linken Ende der Spindel 4 angeregt, während die Strahlung sich in Richtung des Stabes T fortpflanzt.

Das Experiment zeigt, daß eine Endstrahlung bei dieser Antenne auftritt, wenn die Durchmesser den Wert %\2 nicht überschreiten.

Sowohl im Falle der Fig. 1 als auch im Falle der Fig. 2 beträgt die Länge jeder Spindel einige Wellenlängen, beispielsweise zwei bis drei Wellenlängen. Der Abstand zwischen den Elementen jeder Spindel von Fig. 2 ist von der Größenordnung einer Viertelwellenlänge.

Wie schon erwähnt, folgt die axiale Änderung des Brechungsindex des Strahlungsgliedes im wesentlichen der Änderung des Durchmessers des Antennenquerschnittes.

Solche Antennen haben ein Strahlungsdiagramm, · das eine größere Richtkräft aufweist als Stabantennen derselben Länge und desselben Durchmessers.

Fig, 3, 4 und 5 zeigen verschiedene Ausführungsformen von Anregungssystemen, die bei der erfin dungsgemäßen Antenne verwendet werden können. Sie bestehen aus einer koaxialen Leitung mit einem Außenleiter5 und einem Innenleiter6. Im Leiters ist eine Öffnung 7 vorgesehen, durch welche ein Metallstab 8 hindurchgeht, dessen Durchmesser etwas kleiner als derjenige der Öffnung 7 ist. Dieser Stab ist mit einem Ende an den Innenleiter 6 angeschweißt und trägt an seinem anderen Ende eine halbkreisförmige Metallplatte 8°, die wie in Fig. 4 angeordnet ist, d. h. senkrecht zur Achse der koaxialen Leitung, und einen Durchmesser hat, der im wesentlichen gleich demjenigen des Leiters 5 ist. An den Außenleiter 5 ist ein Stab 9 angeschweißt, der eine Platte g^a trägt, wobei der Stab 9 und die Platte g^a mit dem Stab 8 bzw. der Platte 8^a übereinstimmen und die Anordnung 8, 8°, 9 und 9° symmetrisch zur Achse der koaxialen Leitung angeordnet ist. Die beiden Leiter der koaxialen Leitung sind mittels Isolierscheiben L (Fig. 3) voneinander isoliert. Die koaxiale Leitung wird von ihrem linken Ende her erregt. Der Stab T, welcher die Scheiben E₁ bis E₁₀ trägt (Fig.'2), ist an dem Leiter 5 (Fig. 3) befestigt. Zusätzlich ist die gesamte ' Anregungsanordnung nach Fig. 3 in ein Horn 10 (Fig. 2) eingeschlossen. Dieses Horn verbessert die Strahlung in der gewünschten Richtung sowie die Anpassung der Impedanz der Antenne an diejenige des koaxialen Kabels.

Die in Fig. 5 gezeigte Anordnung enthält einen Metallzylinder io°, dessen Aufgabe dieselbe wie diejenige des Horns 10 nach Fig. 2 ist, nämlich die Verbesserung der Antennenanpassung und die Ausschaltung, der Rückstrahlung, Der Zylinder io^a überdeckt das Anregungssystem sowie die Anfangsscheiben F₁, F₂ und F₃ der ersten Antennenspindel 4. Am linken Ende ist der Zylinder durch ein ringförmiges Element 13 abgeschlossen, das an einer mit Gewinde versehenen Hülse 11 befestigt ist. Letztere ist auf eine andere Muffe 12 aufgeschraubt, die am Außenleiter 5 befestigt ist. Auf diese Weise ist -es möglich, die Lage des Zylinders io° abzustimmen, indem die Hülse 11 verschraubt wird, um so eine befriedigende Impedanzanpassung zu erreichen. Ferner kann ein zusätzliches Impedanzanpassungsglied in das koaxiale Antennenkabel eingefügt werden.

Die Anordnung nach Fig. 5 wird insbesondere angewandt, wenn die Leitung 5-6 sich vom einen Ende der Antenne bis zum anderen erstreckt und so den Stab T ersetzt. In diesem Falle trägt sie die Scheiben (Fig. 6 und 7).

Die dielektrischen oder künstlichen dielektrischen Antennen können in bezug auf ihre Richtkraft noch verbessert werden, wenn jede Spindel oder jede Spindelgruppe im wesentlichen in Phase mit der Welle erregt wird, welche sich innerhalb der Leitung längs der Achse fortpflanzt. Dies erreicht man auf die in Fig. 6.dargestellte Weise. In dieser Figur werden die Scheiben der Spindeln K₁, K₂, K_s und Z₄ von dem Außenleiter 5 getragen.

Die erreichten Ergebnisse können an Hand zweier ausgeführterBeispiele I und II deutlich gemacht werden. Die verwendeten Antennen besaßen zwei bzw. drei Spindeln.

Jede Spindel (Fig. 7) besteht aus 13 Metallscheiben, E₁ bis E₁₃, deren Durchmesser folgende Werte haben:

20, 22,5, 25, 27,5. 30, 32,5. 35, 32,5, 3O, 27,5, 25, • 22,5; 20 mm. Diese Scheiben sind ungefähr 2 mm dick. Sie werden durch einen metallischen Stab T₁ getragen und mittels einander gleicher MetaUröhrchen O₁, O₈ usw. voneinander getrennt, deren jedes 15 mm lang ist und 8 mm Durchmesser hat.

Die erreichten Ergebnisse sind in der folgenden Tafel aufgezeichnet, und die entsprechenden Strahlungsdiagramme sind in Fig. 8 gestrichelt bzw. ausgezogen aufgezeichnet.

Beispiel:
I II

Spindelanzahl 2 '3

Feldstärkegewinn 3,2 3,7

Leistungsgewinn 16 db 17,5 db

Halbwertswinkel 29° 23⁰

Nebenmaxima 13 db 12 db

Rückstrahlung 30 db 30 db

Die Gewinne beziehen sich auf eine isotrope Strahlungsquelle. Diese Ergebnisse wurden mit Antennen erreicht, die durch einen runden Hohlleiter erregt wurden.

Die obigen Beispiele zeigen, daß der Antennengewinn mit der Anzahl der Spindeln wächst. Mit einer großen Zahl von Spindeln, wie beispielsweise zehn Spindeln, können sehr hohe Gewinne erreicht werden.

Die erfindungsgemäße Antenne könnte auch mit Scheiben gleichen Durchmessers erreicht werden, die längs der Achse X₁-X^ mit veränderlichem Abstand angeordnet sind. Das Experiment zeigt, daß die erwähnte Änderung des Brechungsindex auf diese Weise ebenso gut erreicht werden kann wie mit Hilfe gleichförmig längs der Achse verteilter Scheiben verschiedenen Durchmessers. Ferner kann eine Durchmesserveränderung mit der Abstandsänderung kombiniert werden, wie in Fig. 9 dargestellt.

Die Änderungen des Brechungsindex bei den erfindungsgemäßen Antennen sind in dem Diagramm der Fig. 10 in Abhängigkeit vom Abstand längs der Achse X₁-X₂ aufgetragen. Die erhaltene Kurve ist eine Wellenlinie, deren Mittelwert stetig vom Speisungsende zum Ausgangsende der Antenne zu abnimmt. Dieser Wert ist umgekehrt proportional zum Scheibendurchmesser.

Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten Ausführungsbeispiele beschränkt, sondern kann alle im Bereich des fachmännischen Könnens liegenden Abwandlungen erfahren. So können bei künstlichen dielektrischen Antennen anstatt der runden Scheiben ovale oder vieleckige Elemente verwendet werden.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Ultrakurzwellenantenne, bestehend aus einer Reihe längs einer Achse angeordneter koaxialer Teile, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens ein geometrischer Parameter jedes Teiles periodisch oder fast periodisch sich in Richtung der Längsachse derart ändert, daß abwechselnd Maxima unä Minima dieses Parameters und damit des Brechungsindex entstehen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Teile aus dielektrischem Material bestehen und daß ihr Querschnitt senkrecht zur Achse periodisch zu- und abnimmt, wobei die größten Querabmessungen in der Größenordnung der Wellenlänge, für welche die Antenne bestimmt ist, liegen.

3. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen stabförmigen metallischen Träger, auf dem kreisförmige Metallscheiben zentrisch sitzen.

4. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben gleichmäßig Abstand voneinander haben, während ihr Durchmesser 75-periodisch zu- und abnimmt.

5. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Scheiben voneinander periodisch zu- und abnimmt.

6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die größte Dimension der Platten stetig vom einen Ende der Antenne zum anderen hin abnimmt.

7. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der stabförmige Träger hohl ist und den Außenleiter einer koaxialen Leitung bildet, welche die Verlängerung der Antennenspeiseleitung darstellt.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Scheiben eine Reihe spindelförmiger Abschnitte bilden, während Speise- und Anpassungsmittel für jede Gruppe benachbarter Spindeln vorgesehen sind, wobei jede Gruppe wenigstens eine Spindel umfaßt.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen