DE955611C - Kopplungsanordnung zwischen einer Schlitzantenne und ihrer Speiseleitung - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 3. JANUAE1957

B 35920 VIII α/ 2ϊα^ι

ist als Erfinder genannt worden

Die Erfindung bezieht sich auf eine Kopplungsanordnung zwischen einer Schlitzantenne und ihrer Speiseleitung.

Die Kopplungseinrichtung gemäß der Erfindung für dfen Übergang von elektrischer Energie zwischen einer Übertragungsleitung und einer Schlitzantenne ist einfach herzustellen und ist leistungsfähig. Sie gestattet die Impedanz der Übertragungsleitung, insbesondere eines konzentrischen Kabels, an diejenige eines Punktes von verhältnismäßig hoher Spannung auf einer Schlitzantenne anzupassen. Die Erfindung ist außerdem dazu geeignet, eine konzentrische Übertragungsleitung, die unsymmetrisch gegenüber Erde ist, an eine' erdsymmetrische Schlitzantenne zu koppeln.

Schlitzantennen sind seit vielen Jahren bekannt und haben offensichtlich mechanische Vorteile gegenüber den sonst gebräuchlichen Antennen für gewisse Anwendungsgebiete, etwa auf Flugzeugen für hohe Geschwindigkeiten, bei denen der Schlitz in der Wand oder. Haut des Flugzeugs ausgebildet werden kann, ohne daß hervorstehende Teile die aerodynamische Formgebung des Flugzeugs beeinträchtigen. Jedoch war bisher der Verwendung der Schlitzantenne in dem Bereich höchster Fre- «5 quenzen wegen der Schwierigkeiten, die einer wirksamen Speisung derselben entgegenstehen, eine Grenze gesetzt. Hierbei tritt vor allem das Problem auf, eirie unsymmetrische Übertragungsleitung, etwa ein konzentrisches Kabel, von verhältnismäßig

niedriger Impedanz mit einer symmetrischen Schlitzantenne in der Weise zu verbinden, daß ©ine gute Impedanzanpassung gewährleistet ist.

Gemäß der Erfindung wird dieses Problem dadurch gelöst, daß als Kupplungselement zwischen einem konzentrischen Kabel bzw. einer koaxialen Leitung und einer Schlitzantenne ein L-förmiger Leiter verwendet wird, der in dem Schlitz an einem Ende desselben angeordnet ist, und zwar, mit seinem ίο langen Schenkel parallel zu und näher an einer Seitenwand dies Schlitzes als an der anderen, und der an dem freien Ende mit dem zentralem Leiter der koaxialen Leitung verbunden ist, während der kurze Schenkel des L-förmigen Leiters quer zum Schlitz bis zur elektrischen Berührung mit der anderen Seitenwand des Schlitzes verläuft. Aus weiter unten zu erörternden Gründen ermöglicht diese außerordentlich einfache und gedrungene Kopplungsanordnung eine wirksame. Übertragung ao von elektrischer Energie zwischen dem konzentrischen Kabel und der Schlitzantenne.

In der Zeichnung ist die Erfindung an einem

Ausfühfungsbeispiel veranschaulicht, und zwar zeigt Fig. ι eine Aufsicht auf die Innenseite eines eine Schlitzantenne aufweisenden Wandungsteils mit einer Kopplungsanordnung nach der Erfindung,

Fig. 2 den dem Anschlußende benachbarten Teil der Darstellung nach Fig. 1 in größerem Maßstab, wobei die Kopplungsanordnung teilweise geschnitten ist,

Fig. 2 a ,einen Querschnitt nach der Linie A-A in Fig. 2 und

Fig. 3 den äquivalenten elektrischen Kreis für die Kopplungsanordnung nach Fig. 1, 2 und 2 a. Wie zunächst aus Fig. 1 ersichtlich ist, ist in einer Metallwand 10 ein Schlitz 11 ausgebildet, und das Ganze stellt den wesentlichen Bestandteil einer Schlitzantenne dar. Es ist zu bemerken, daß die Wand 10 von unbegrenzter Ausdehnung sein und die äußere Wand oder Haut eines Flugzeugs od. dgl. bilden kann. Bei den hohen Betriebsfrequenzen'derartiger Vorrichtungen hat nur der dicht neben dem Schlitz 11 befindliche Teil der Wand 10 eine Wirkung auf die Ströme, die ein elektrisches Feld in dem Schlitz 11 hervorrufen oder durch ein .solches Feld erzeugt werden. Wenn die Antenne zum Senden verwendet wird, wird ein hochfrequentes elektrisches Feld in dem Schlitz 11 durch eine zwischen den gegenüberliegenden Wänden des Schlitzes entwickelte. Spannung erzeugt, so daß elektromagnetische Energie in an sich bekannter Weise ausgestrahlt wird. Umgekehrt wird durch empfangene elektromagnetische Wellen ein elektrisches Feld zwischen den Wänden des Schlitzes erzeugt, das dazwischen eine Spannung hervorruft. Aus Zweckmäßigkeit wird die Erfindung in Anwendung auf einen Sender beschrieben.

Für einen wirksamen Betrieb erhält der Schlitz 11 vorteilhaft eine elektrische Länge von einer halben Welle bei seiner Arbeitsfrequenz. Dieses Ergebnis kann entweder dadurch erreicht werden, daß der Schlitz genau gleich einer halben Wellenlänge gemacht wird, oder dadurch, daß er kurzer gemacht und eine Hilfsabstimmung vorgesehen wird, etwa mittels eines Kondensators 12, der den Schlitz in seinem Mittelpunkt überbrückt.

Irgendeine Ausführungsform einer Schlitzantenne kann in Verbindung mit der vorliegenden Erfindung verwendet werden, obgleich letztere besonders vorteilhaft bei abgestimmten Schlitzen ist, deren Länge kürzer als eine halbe Welle als physikalische Abmessung ist, weil bei der Erregung derartiger Schlitzantennen nach anderen Verfahren erhöhte Schwierigkeiten auftreten.

Gemäß Fig. 2 ist eki konzentrisches Kabel 13 vorgesehen, das einen äußeren Leiter 14 aufweist, der am linken Ende des Schlitzes 11 endigt und an der Wand 10 mechanisch durch eine Schelle 15 befestigt ist. Das Kabel 13 besitzt einen inneren Leiter 16, der von dem äußeren Leiter 14 isoliert ist und der auch als der Leiter von hohem Potential bezeichnet wird, da, wie es bei einem konzentrischen Kabel üblich ist, der äußere Leiter 14 sich auf Erdpotential befindet. Der innere Leiter 16- ist in den Schlitz 11 hinein verlängert und mit dem freien Ende des langen Schenkels 18 eines L-förmigen Kopplungsleiters 17 verbunden. Der Schenkel 18 ist ein flacher Streifen und verläuft parallel zu den Seiten 20 und 21 des Schlitzes 11 und wesentlich dichter an der einen Wand 20 als an der anderen Wand 21. Der kurze Schenkel 19 des L-förmigen Leiters 17 verläuft quer zum Schlitz von der Wand 20 weg und bis an die Wand 21 heran, mit der er elektrisch verbunden ist. ·

Um eine mechanische Halterung für den Leiter 16 und dien Leiter 17 vorzusehen, ist derjenige Teil des Schlikzes 11, in dem der Leiter 17 untergebracht ist, mit einem - geeigneten festen dielektrischen Stoff 22 gefüllt, in den der Leiter 17 eingebettet ist. 10c Der Stoff 22 hat vorzugsweise eine höhere Dielektrizitätskonstante als Luft, so daß die Kapazität zwischen dem langen Schenkel 18 und den Seitenwänden 20 und 21 des Schlitzes vergrößert wird.

Der Äquiivalenzkreis der Anordnung nach Fig. 2 ist in Fig. 3 dargestellt. In dieser ist die Seitenwand 20 des Schlitzes als Leiter mit verteilter Induktivität L₂₀, die Seitenwand 21 des Schlitzes als Leiter mit verteilter Induktivität L₂₁ und der lange Schenkel 18 des Leiters 17 als Leiter mit verteilter Induktivität L₁₈ wiedergegeben. Die verteilte Kapazität zwischen dem Schenkel 18 und der Seitenwand 20 ist durch die .Kapazitäten C₂₀ und C₁₉ und die verteilte Kapazität zwischen dem Schenkel 18 und der' Seitenwand 21 durch die Kapazitäten 21 veranschaulicht. Der kurze Schenkel 19 ist als Leiter mit verteilter Induktivität L₁₉ dargestellt. Der Strahlungswiderstand. der Antenne hinsichtlich der Kopplungseinrichtung ist durch den Widerstand .R₁₁ angedeutet, der zwischen die 12» den Seitenwänden 20 und 21 entsprechende Leiter geliegt ist. Wie ersichtlich, sind die linken Enden dieser den Seitenwänden 20 und 21 entsprechenden Leiter mit dem geerdeten Leiter 14 des konzentrischen Kabels verbunden, so daß sie sich in diesem Punkt auf Erdpotential befinden.

Wie aus Fig. 3 hervorgeht, bilden die Leiter 18 und 21 eine Übertragungsleitung, welche die Reiheninduktivitäten L₁₈ und L₂₁ und die verteilte Kapazität C₂₁ aufweist und mit der Indukthritat L₁₉ abgeschlossen ist, während der Leiter 18 und der Leiter 20 eine Übertragungsleitung bilden, welche die Reiheninduktivitäten L₁₈ und L₂₀ und die Nebenschlußkapazität C₂₀ enthält und durch die Kapazität C₁₉ abgeschlossen ist.

Es ist zu beachten, daß der Schenkel 18 (Fig. 2) wegen seiner geringeren Entfernung von der Seitenwand 20 als von der Seitenwand 21 eine wesentlich größere Kapazität mit der Seitenwand 20 als mit der Seitenwand 21 hat. In Fig. 3 stellt die Kapazitat C₁₉ den Unterschied zwischen der Gesamtkapazität des Leiters 17 mit der Seitenwand 20 und der Kapazität des Leiters 17 mit der Seitenwand 21 dar. Die beiden obenerwähnten Übertragungsleitungen werden parallel von dem konzentrischen

ao Kabel 13 aus gespeist. Der Schenkeli8 und die Seitenwände 20 und' 21 des Schlitzes bilden Abschnitte von gleichförmigen Übertragungsleitungen zwischen dem Ende des Schlitzes und dem kurzen Schenkel 19 des Leiters 17, doch sind sie in diesem Punkt durch Impedanzen von entgegengesetzter Reaktanz abgeschlossen. So ist der Abschnitt, der aus dem Leiter 18 und der Seitenwand 21 besteht, durch die Induktivität L₁₉ abgeschlossen, während

der Abschnitt, der aus diem Leiter 18 und der Seitenwand 20 besteht, durch die Kapazität C₁₉ abgeschlossen ist. Die Spannung an der Induktivität L₁₉ eilt dem Strom in dem Kreis um ungefähr 90⁰ voraus, und die Spannung an der Induktivität C₁₉ eilt dem Strom in dem Kreis um ungefähr 90⁰ nach, so daß die Wechselspannungen an den Enden der Induktivität L₁₉ und der Kapazität C₁₉ ungefähr i8o° Phasenverschiebung haben. Demnach werden die beiden Seitenwände des Schlitzes mit Spannungen von entgegengesetzter Polarität sowie symmetrisch gegenüber Erde erregt.

Insofern als der lange Schenkel 18 des Leiters 17 und die Seitenwände 20 und 21 des Schlitzes Abschnitte von Übertragungsleitungen bilden, die an ihren rechten Enden durch Impedanzen abgeschlossen werden, die von ihren Wellenwideirständen verschieden sind, wirken die Abschnitte als Spannungsumformer, und die Impedanz der Übertragungsleitung steigt in demselben Maße wie die Impedanz zwischen den Seitenwänden des Schlitzes an. Daher bewirkt das Kopplungsglied 17 eine selbsttätige Impedanzanpassung an den Schlitz.

In einem praktischen Ausführungsbeispiel für den Betrieb mit 225 MHz kann die Anordnung nach Fig. 1 und 2 die folgenden Werte . aufweisen:.

Länge von Schlitz 11 8 Zoll = 203,0 mm

Breite von Schlitz 11 ¹U Zoll = 6,4 mm

Kapazität des Kondensators 12 etwa 17 mmf

Länge von Schenkel 18 ^. 1 Zoll = 25,4 mm

Breite von Schenkel 18 '. Vs Zoll = 9,5 mm

Fläche von Schenkel 18 zu den Seitenwänden des

Schlitzes Ve Quadratzoll = 2,4 qcm

Abstand zwischen Schenkel 18 und Seitenwand 20 Vs2 Zoll = 0,8 mm Abstand zwischen Schenkel 18 und Seitenwand 21 V32 Zoll = 5,6 mm

Dielektrizitätskonstante von Stoff 22 2,1

Wellenwiderstand des konzentrischen Kabels 13 .. 50 Ohm

Es wurde festgestellt, daß bei diesem Ausführungsbedepiel die Leistungsfähigkeit bzw. der Wirkungsgrad der Strahlung ungefähr ebenso groß

wie bei der größten Richtstrahlung eines HaIbwellendipols ist.

-Die Länge- des Kopplungsleiters 17 bzw. des Schenkels 18 desselben ist nicht kritisch. Jedoch muß sie eine Mindestbedingung erfüllen, nämlich die Bedingung der Anpassung einer niedrigen Impedanz an die verhältnismäßig hohe Impedanz des Schlitzes. Eine günstigste Länge wäre die, bei der die Erfordernisse der Anpassung erfüllt sind. Dagegen ist infolge des Umstandes, daß die Impedanz eines verkürzten Schlitzes, nämlich eines Schlitzes, dessen Länge kürzer als eine halbe Wellenlänge ist und der durch eine zusätzliche Kapazität wie den Kondensator 12 abgestimmt ist, ziemlich plötzlich in einem kurzen Abstand von dem Ende desselben ansteigt und dahinter etwas absinkt, die Länge des Anpassungsleiters nicht kritisch, nachdem der Bereich hoher Impedanz des Schlitzes erreicht ist. Die Länge des Anpassungsleiters wird in gewissem Grade beeinflußt von dem dielektrischen Stoff zwischen dem Schlitz und dem Leiter (die Erhöhung der Dielektrizitätskonstante scheint die Verwendung kürzerer Leiter zuzulassen). Ein praktisches Verhältnis der Länge des Anpassungsleiters zur Längei des Schlitzes ist ι: 8. Das Verhältnis der Leiter- zur Schlitzlänge kann sich ändern, wenn die Breite und Tiefe des Schlitzes verändert werden.

Obwohl zur Erläuterung der Erfindung eine besondere Ausführungsform derselben dargestellt und beschrieben ist, ist die Erfindung keineswegs hierauf beschränkt, vielmehr sind mannigfache Änderungen und Abwandlungen im Rahmen der Erfindung denkbar.

Claims (6)

1. Patentansprüche:

   i. Kopplungsanordnung zwischen einer Schlitzantenne und ihrer Speiseleitung, die aus einem mit der Schlitzwand verbundenen geerdeten Leiter und einem isolierten Leiter, der an einem Ende des Schlitzeis mündet,

   besteht, dadurch gekennzeichnet, daß -in .dem Schlitz ein Kopplungsleiter angeordnet ist, der einen längs verlaufenden Abschnitt, dessen eines Ende an dem der Übertragungsleitung zugekehrten Ende des Schlitzes liegt und mit dem isolierten Leiter verbunden ist, sowie einen quer verlaufenden Abschnitt aufweist, der sich von dem anderen Ende des längs verlaufenden Abschnitts bis zur Berührung mit der einen

   ίο Seitenwand des Schlitzes erstreckt, und der längs verlaufende Abschnitt von dieser Seitenwand einen größeren Abstand als von der anderen Seitenwand des Schlitzes hat.
2. 2. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß ein dielektrischer Stoff von höherer Dielektrizitätskonstante als Luft zwischen dem längs verlaufenden Abschnitt und der diesem näher liegenden Seitenwand des Schlitzes eingefügt ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch ge- ao kennzeichnet, daß ein dielektrischer Stoff von höherer Dielektrizitätskonstante als Luft zwischen dem längs verlaufenden Abschnitt und beiden Seitenwänden des Schlitzes eingefügt ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 bis 3, dadurch as gekennzeichnet, daß der längs verlaufende Abschnitt sich in der Längsrichtung des- Schlitzes parallel zu den Seitenwändetn des Schlitzes desselben erstreckt.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der längs verlaufende Abschnitt die Form eines Bandes hat, das seitlich,

   d. h. in seiner Querrichtung, parallel zu den Seitenwänden des Schlitzes liegt.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß .die Breite des Bandes im wesentlichen gleich der Breite der Seitenwände des Schlitzes ist.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

   θ «β 547/400 6.56 (609 726 12.56)