DE960292C - Anordnung zur Speisung mehrerer Strahlerelemente einer Antenne - Google Patents

Description

AUSGEGEBEN AM 21. MÄRZ 1957

I 7776VIIIa/2i a*

Die Erfindung bezieht sich auf ein Antennenspeisungssystem und im speziellen auf eine Serienspeisung mit Hilfe koaxialer Leitungen für eine Vertikalantennenanordnung.

Bei vielen Antennensystemen, wie z. B. bei solchen für die Luftnavigation, ist es wünschenswert, Vertikalanordnungen zu benutzen, die aus gestockten Dipolen- Scheibenkonus- oder Doppelkonusstrahlern bestehen. Bei der Annahme gleicher Impedanz für jedes Strahlerelement ist es wünschenswert, alle Elemente der Vertikalanordnung gleichphasig zu speisen. Es zeigte sich bisher, daß auf Grund des Längenunterschiedes der Leitung, die den höchstgelegenen wie auch den untersten Strahler mit der Energiequelle verbindet, derartige vertikal gestaffelte Anordnungen äußerst frequenzabhängig waren; d. h., bei Frequenzänderung ändert sich die Phasenlage der Strahlung des höchstgelegenen Elementes in bezug auf die der übrigen Elemente, hervorgerufen durch ao den längeren Leitungsweg der Speiseleitung zum höchstliegenden Strahler.

Es ist bereits bekannt, ein aus mehreren Strahlern bestehendes Antennensystem, dessen Strahler gleichphasig schwingen sollen, so zu schalten, daß die as zu erregenden Strahlerelemente paarig parallel geschaltet werden. Zu diesem Zweck werden jeweils zwei Einzelstrahler, dann zwei Paare, zwei Vierer usw. zusammengefaßt, so daß sowohl mechanisch als auch elektrisch ein symmetrischer Aufbau er-

zielt wird. Der Nachteil dieser Anordnung liegt darin, daß bei Verwendung einer normalen Koaxialspeiseleitung die mögliche Anzahl der verwendeten Einzelstrahler wegen des Wellenwider-Standes der Koaxialleitung beschränkt ist. Dieser Nachteil läßt sich nur durch kostspielige Kabelsonderkonstruktionen umgehen.

Außerdem hat es sich als zweckmäßig erwiesen, ein Antennensystem mit vertikal angeordneten ίο Strahlerelementen derart einzuspeisen, daß die Speiseleitung nicht im Strahlungsfeld der Antenne liegt, um unerwünschte Störungen des Strahlungsdiagramms der Antenne zu vermeiden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Anordnung zur Speisung mehrerer Strahlerelemente einer Antenne von beliebigem, insbesondere aber koaxialem Aufbau zu schaffen. Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß die Fußpunktwiderstände der einzelnen Strahlerelemente in Reihe geschaltet sind und der sich ergebende Gesamtwiderstand durch Wahl geeigneter Anpassungsglieder auf den Wellenwiderstand der koaxialen Speiseleitung transformiert wird, der gleich dem Fußpunktwiderstand eines Strahlerelementes ist.

Die Erfindung soll nun auf Grund von Anordnungsbeispielen und an Hand der Zeichnungen erläutert werden.

Fig. ι zeigt das Bild der Ausführungsform

einer Serienspeisung mit Hilfe einer koaxialen

Leitung für eine einfache Form einer Vertikal-

antennenanordnung, die aus zwei doppelkonischen Strahlern besteht;

Fig. 2 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 1 gezeichneten Antennensystems;

Fig. 3 zeigt das Bild der Ausführungsform einer Serienspeisung mit Hilfe einer koaxialen Leitung für eine Vertikalantennenanordnung, die aus acht doppelkonischen Strahlern besteht;

Fig. 4 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 3 gezeichneten Atitennensystems;

Fig. 5 zeigt ein Ersatzschaltbild des in Fig. 3 gezeichneten Antennensystems, in dem Glieder enthalten sind, die die Impedanz der Anordnung an die Impedanz der Speiseleitung anzupassen gestatten.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, wird ein Antennensystem, das aus zwei doppelkonischen Strahlern besteht, mit Hilfe der erfindungsgemäßen Serienspeisung über eine koaxiale Leitung eingespeist. So Die Antenne besteht aus der vertikal gestaffelten Anordnung der Strahlerelemente 2 und 3, die doppelkonische Dipolelemente sind. Die Einspeisung wird über eine koaxiale Leitung 4 vorgenommen, die den Außenleiter 4₀ und den Innenleiter 4₆ hat, wobei eine Unterbrechung 4_C im Außenleiter 4_a als Speisungspunkt für die Dipole 2 und 3 dient. Am Punkt B ist der Außenleiter ^₁₁ der Koaxialleitung 4 bei 4_C durchbrochen, so daß die Energie in zwei Teile aufgeteilt wird. Ein Teil der Energie wird über die Fortsetzung der Speiseleitung 4 in die obere Hälfte des Antennensystems 1 transportiert, und der andere Teil bewegt sich auf der Außenseite des früheren Außenleiters 4_a des Kabels 4 entlang. Dieser Außenleiter wird nunmehr Innenleiter eines neuen Speisekabels. Der vergrößerte Durchmesser des Leiters 5 dient diesem Kabel als Außenleiter und trägt die oberen Konuselemente 3_a des unteren Strahlers 3 des Antennensystems i.

Es soll zur Vereinfachung angenommen werden, daß im Ersatzschaltbild Fig. 2 die Impedanzen der Dipole gleich dem Wellenwiderstand des Kabels, das Punkt A (Mitte der doppelkonischen Strahlerelementes 2) mit Punkt B (Mitte des Antennensystems 1) verbindet, sein mögen. Somit ist die Impedanz am Punkt B, gegen den oberen Dipol· 2 gesehen, gleich der Dipolimpedanz. Die Impedanz am Punkt B, gesehen gegen den unteren Dipol 3, der durch ein koaxiales Kabel, bestehend aus dem Außenleiter 4_a und dem Überwurf 5, eingespeist wird, ist gleich der Dipolimpedanz des unteren Dipols, unter der Voraussetzung, daß die einspeisende Kabelanordnung einen Wellenwiderstand hat, der gleich der Dipolimpedanz ist. (Diese wird gleich der des oberen Dipols angenommen.) Die Impedanz, mit der das Speisekabel 4 also belastet erscheint, entspricht der doppelten Dipolimpedanz oder, falls die Dipole ungleiche Impedanz haben, der Summe dieser ungleichen Impedanzen.

Für den einfachsten Fall, wo die Dipole gleiche Impedanzen haben, ist es klar, daß die Energie in zwei gleiche Teile geteilt wird, und wenn die Länge der Leitungen zwischen den Punkten A, B und A, C gleich ist, dann haben die Ströme in den Dipolen 2 und 3, wie durch die Pfeile in Fig. 1 angedeutet, gleiche Flußrichtung. Das bedeutet: Die Strombeziehungen zwischen den Strahlerelementen 2 und 3 sind so lange unabhängig vom Abstand dieser Strahler, wie die Lage des Punktes B in der elektrischen Mitte zwischen Punkt A und C liegt. Da die Unterbrechung des ,Außenleiters einer koaxialen Speiseleitung und Einfügung einer Last in die unterbrochene Stelle gleichbedeutend ist mit der Serienschaltung dieser Last in die Leitung, wird ein solches Speisungssystem Serienspeisung genannt.

Eine Serienspeisung durch koaxiale Leitung und das Ersatzschaltbild für eine Antennenanordnung, die aus acht doppelkonischen Strahlerelementen besteht, ist in Fig. 3 und 4 gezeigt. Eine 11= Energiequelle speist die koaxiale Leitung 7 ein. die aus den Außenleiter y_a und dem Innenleiter j_h besteht. Der Außenleiter y_a ist an der elektrischen Mitte 2i der Antennenanordnung 6 unterbrochen. Die halbe Energie fließt über den Leiter 8, der eine Fortsetzung des Außenleiters J_a ist, nach oben, und der andere Teil der Energie fließt längs der Oberfläche des Außenleiters "j_a, der jetzt Innenleiter des Speisekabels ist, das aus Leiter J_a und Überwurf 9 besteht; Überwurf 9 dient als Außenleiter dieses unteren Speisekabels. Am Punkt 25, der in der Mitte zwischen Punkt 21 und der Spitze der Antennenanordnung 6 liegt, ist der Leiter 8 abermals unterbrochen, und die Hälfte der Energie fließt längs Leiter 8 zu Leiter 10, der eine Fortsetzung des Leiters 8 ist. Die andere Hälfte der

Energie auf Leiter 8, d. h. ein Viertel der Ursprungsenergie, fließt abwärts durch ein neues koaxiales Kabel, dessen Innenleiter die äußere Oberfläche des Leiters 8, dessen Außenleiter der Überwurf 11 ist. Der Leiter ι ο ist am Punkt 27 unterbrochen. Dieser Punkt befindet sich in der Mitte zwischen Punkt 25 und der Spitze der Antennenanordnung 8. Die halbe Energie fließt somit längs Leiter 10 aufwärts und speist die doppel-

konischen Strahler 13 ein. Die andere Hälfte der Energie auf Leiter 10 fließt abwärts durch ein neues koaxiales Kabel, das aus Leiter 10 als Innenleiter und Überwurf 12 als Außenleiter gebildet wird. Die Energie, die durch diese neue koaxiale

ig Leitung fließt, speist den doppelkonischen Strahler 14 ein. Da die Ursprungsenergie an drei verschiedenen Unterbrechungen 21,25 und 27 halbiert worden ist, erhalten die Strahler 13 und 14 nur ein Achtel der Ursprungsenergie.

ao Die Energie fließt von Unterbrechung 25 über die koaxiale Leitung, bestehend aus der äußeren Oberfläche des Leiters 8 als Innenleiter und Überwurf 11, abwärts und wird an der Unterbrechung 23 halbiert. Die Hälfte der Ursprungsenergie

fließt weiter abwärts und speist das doppelkonische Strahlerelement 16 ein, während die andere Hälfte über Überwurf 40 als Außenleiter und äußerer Oberfläche des Leiters 11 als Innenleiter aufwärts fließt. Diese Energie speist das doppelkonische

Strahlerelement 15 ein. Es ist ersichtlich, daß die Speiseenergie für die Strahlerelemente 15 und 16 an den Punkten 21, 25 und 23 halbiert wurde und somit je eirr Achtel der Ursprungsenergie die Strahlerelemente 15 und τ6 einspeist.

Die Energie, die von der Unterbrechung am Punkt 21 über die äußere Oberfläche des Leiters "j_a als Innenleiter und Überwurf 9 als Außenleiter abwärts fließt, wird an der Unterbrechung 32" halbiert. Es fließt somit die Hälfte der Energie längs Leiter 38, der eine Fortsetzung des Leiters 9 ist, und die andere Hälfte längs der koaxialen Speiseleitung mit äußerer Oberfläche des Leiters 9 als Innenleiter und Überwurf 36 als Außenleiter aufwärts. Diese aufwärts fließende Energie wird am Unterbrechungspunkt 30 halbiert, wobei ein Teil weiterhin aufwärts fließt und das Strahlerelement 17 einspeist, während der andere Teil abwärts über die äußere Oberfläche des Leiters 36 als Innenleiter und Überwurf 37 als Außenleiter zum Strahlerelement 18 fließt. Die Ursprungsenergie wird also an drei Punkten 21, 32 und 30 aufgeteilt, bevor sie die Strahlerelemente 17 und 18 erreicht; diese Elemente werden somit je mit einem Achtel der Ursprungsenergie eingespeist.
Die Energie, die vom Punkt 32 über Leiter 38 abwärts fließt, wird am Punkt 34 halbiert. Die Hälfte des Energieflusses geht weiter abwärts und speist Element 20 ein, wohingegen die andere Hälfte längs äußerer Oberfläche des Leiters 38 und Überwurf 39 als Außenleiter aufwärts fließt.

Auf Grund der vorher beschriebenen Energieteilung wird also jedes der Strahlerelemente 13 bis 20 mit einem Achtel der Ursprungsenergie erregt. In Fig. 4 sind die einzelnen Punkte mit denselben Ziffern wie in Fig. 3 bezeichnet, nur erhalten sie zur unterschiedlichen Kennzeichnung einen Apostroph. Aus Fig. 4 ist zu erkennen, daß die Ströme der einzelnen Strahlerelemente nicht nur gleich, sondern auch in Phase sind. Aus der vorhergehenden Beschreibung ist ebenfalls ersieht-Hch, daß, da die acht doppelkonischen Strahlerelemente in bezug auf die Energiequelle hintereinandergeschaltet sind, die Impedanz der Antennenanordnung acht mal so groß ist wie die Impedanz eines einzelnen Strahlerelementes.

Fig. 5 zeigt die Möglichkeit, eine 8-Elementen-Antennenanordnung durch Wahl geeigneter Anpassungsglieder so auszulegen, daß die Gesamtimpedanz der Anordnung gleich ist der Impedanz eines einzelnen doppelkonischen Strahlerelementes. So Als Beispiel möge jedes doppelkonische Element eine Noxninalimpedanz von 50 Ohm besitzen und an ein 50-Ohm-Kabel angepaßt werden, dann zeigt Fig. 5 die notwendige Dimensionierung jedes Anpaßgliedes für jeden Leitungsabschnitt. So kann z. B. die 50-Ohm-Strahlerimpedanz für den ersten Leiterabschnitt zwischen jedem beliebigen doppelkonischen Strahler und dem nachfolgenden Speiseoder Unterbrechungspunkt im Außenleiter auf 25 Ohm heruntertransformiert werden, indem man den Wellenwiderstand der A/4-Leitung auf 35 Ohm festlegt. An jedem Einspeisung«- oder Unterbrechungspunkt sind somit zwei Dipole in Serie wirksam, und unter der Voraussetzung, daß jeder Dipolabschnitt 25 Ohm beträgt, ist die Gesamtserienimpedanz am Speisepunkt 50 Ohm. Wird die Länge der Leitung zwischen den Punkten 42 und 43 einer halben Wellenlänge gleichgemacht, so kann der erste A/4-Abschnitt 50 Ohm betragen, und der Gesamtwert kann mit Hilfe eines 35-Ohm- «>o Abschnittes, dessen Länge /t/4 beträgt, auf 25 Ohm transformiert werden. Am Punkt 43 erscheinen somit zwei 25-Ohm-Belastungen, die in Serie geschaltet sind und insgesamt 50 Ohm ergeben. Dieser Wert ist an den 50-Ohm-Abschnitten t°5 zwischen Punkt 43 und 44 angepaßt. Seine Ausdehnung ist eine Wellenlänge lang, wovon der erste Teil des Leitungsabschnittes 3 λ/4 beträgt und 50 Ohm Wellenwiderstand hat und der zweite Teil λ/4 beträgt mit 35 Ohm Wellenwiderstand. «° Am Eingang des gesamten Leitungsabschnittes erscheinen also 25 Ohm. Am Punkt 44 sind somit wieder zwei 25-Ohm-Belastungen in Serie geschaltet, das entspricht einem Gesamtwert von 50 Ohm, der somit an den Eingang der Speise- "5 leitung angepaßt ist. An keinem Punkt des Speisungssystenis überschreitet das Stehwellenverhältnis den Wert 1,4:1. Die relativ niedrige Fehlanpassung an allen Übergangspunkten macht die Impedanztransformation relativ bxeitbandig Ίβο mit einer nur geringen Impedanzänderung über ein verhältnismäßig breites Frequenzband.

Obwohl im vorhergehenden der Erfindungsgedanke im Zusammenhang mit einer spezifischen Anordnung erläutert wurde, ist es klar, daß diese ias Beschreibung nur ein Beispiel darstellt und keine

Begrenzung der Anwendung im Rahmen der aufgezeigten Ansprüche bedeutet.

Claims (8)

PATENTANSPRÜCHE: 5

1. Anordnung zur Speisung mehrerer Strahlerelemente einer Antenne von beliebigem, insbesondere aber axialem Aufbau, dadurch gekennzeichnet, daß die Fußpunktwiderstände

to der einzelnen Strahlerelemente in Reihe geschaltet sind und der sich ergebende Gesamtwiderstand durch Wahl geeigneter Anpassungsglieder auf den Wellenwiderstand der koaxialen Speiseleitung transformiert wird, der gleich dem Fußpunktwiderstand eines Strahlerelementes ist.

2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Reihenschaltung der einzelnen Strahlerelemente so vorgenommen wird,

ao daß der Außenleiter der koaxialen Speiseleitung zwecks Energieteilung unterbrochen ist.

3. Anordnung nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Weiterleitung der Energie vom ersten genannten Ein-

»5 speisungspunkt zu einem zweiten von der Unterbrechungsstelle aus über den durchgehenden Innenleiter und den fortgesetzten Außenleiter, während die Zuleitung zu einem dritten Speisepunkt in entgegengesetzter Richtung über den ursprünglichen Außenleiter als Innenleiter und einem weiteren, den ursprünglichen Außenleiter konzentrisch umgebenden Außenleiter erfolgt.

4. Anordnung nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der zweite und dritte Speisepunkt in bezug auf die durch einen Teil der durch die Unterbrechung geteilten Energie zu speisenden Strahlerelemente symmetrisch liegen.

5. Anordnung nach Anspruch 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß bei axialem Antennenaufbau die Speiseleitung ebenfalls axial liegt.

6. Anordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente aus Halbwellenstrahlern bestehen.

7. Anordnung nach Anspruch 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die koaxiale Speiseleitung derart innerhalb der Strahler liegt, daß das Strahlungsdiagramm der Antenne nicht gestört wird.

8. Anwendung der Anordnung nach Anspruch ι bis 7 zur Speisung eines Breitbandantennensystems, das aus einer Anzahl von Halbwellenstrahlern besteht.

In Betracht gezogene Druckschriften:
österreichische Patentschrift Nr. 113 125.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

θ «09 619/294 ».56 (609 843 3.57)