DE961444C - Directional antenna - Google Patents
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Description
AUSGEGEBEN AM 4 APRIL 1957ISSUED APRIL 4, 1957
C u8op Villa/21 a*C u8op Villa / 21 a *
Georges Broussaud, ParisGeorges Broussaud, Paris
ist als Erfinder genannt wordenhas been named as the inventor
RichtantenneDirectional antenna
Die Erfindung bezieht sich auf eine aus ebenen Elementen bestehende Richtantenne.The invention relates to a directional antenna consisting of planar elements.
Es ist bekannt, für Antennen mit Richteigenschaften bei hohen Frequenzen Strahler sehr verschiedener Formen zu verwenden. Wenn man eine starke Bündelung in einer Ebene erzeugen will, macht man aber immer noch meistens von parabolischen Zylindern Gebrauch, deren Abmessungen mit der Schärfe der Feldstärkediagramme zunehmen. Der Bau solcher Antennen wird hierdurch sehr schwierig, da für die zugrunde liegende Parabel eine sehr gi }ße Genauigkeit erforderlich ist, während mechanische Deformationen, die z. B. von Temperataränderungen herrühren, die Richtdiagramme verschlechtern und die Hauptstrahlungsrichtung verändern können.It is known for antennas with directional properties at high frequencies radiators very different Shapes to use. If you want to create a strong concentration in one plane, But most of the time, parabolic cylinders and their dimensions are still used increase with the sharpness of the field strength diagrams. The construction of such antennas is made possible by this very difficult, since a very high degree of accuracy is required for the underlying parabola is, while mechanical deformations that occur e.g. B. derive from temperature changes, the directional diagrams deteriorate and change the main direction of radiation.
Es sind ferner für sehr hohe Frequenzen Schlitzantennen vorgeschlagen worden, d. h. Hohlleiter, deren Wand durch gleichgerichtete Schlitze unterbrochen ist, wobei die Bündelung mit der Schlitzrichtung verknüpft ist. Diese Anordnungen sind wegen der langgestreckten Form der Schlitze ziemlich instabil.Slot antennas have also been proposed for very high frequencies; H. Waveguide, whose wall is interrupted by rectified slots, the bundling with the slot direction is linked. These arrangements are quite because of the elongated shape of the slots unstable.
In dem USA.-Patent 2 479 209 wird vorgeschlagen, die Langseiten eines solchen Hohlleiters mit Schlitzen durch zwei Metallplatten seitlich zu verlängern, wobei die eine Metallplatte ebenfalls mit Schlitzen versehen und die andere massiv ist.U.S. Patent 2,479,209 suggests the long sides of such a waveguide to extend laterally with slots through two metal plates, one of which is also a metal plate slotted and the other is solid.
Ein solches Strahlungssystem besitzt aber nur ein schmales Durchlaßband und seine Einstellung ist schwierig. Überdies haben alle Schlitze dieselben Abmessungen und die so gebildete Antenne besitzt nur ein einziges mögliches Strahlungsdiagramm. Bei der bekannten Anordnung ist außerdem eine einstellbare Kurzschlußebene vorgesehen, die am dem Anregungsleiter entgegengesetzten Ende der Platten angebracht ist. Hieraus ergibt sich, daß ίο die Antenne mit stehenden Wellen arbeiten muß, was die Bandbreite noch weiter verringert.However, such a radiation system only has a narrow passband and its setting is difficult. Moreover, all the slots have the same dimensions and the antenna thus formed only one possible radiation pattern. In the known arrangement is also one adjustable short-circuit level provided at the opposite end of the excitation conductor Plates attached. From this it follows that ίο the antenna must work with standing waves, which further reduces the bandwidth.
Die Erfindung gestattet die Ausschaltung der beschriebenen Nachteile. Sie beruht auf den Eigenschaften eines Stapels von gelochten Platten, die durch eine sich zwischen den Platten fortpflanzende Welle erregt werden. Die erfindungsgemäße Richtantenne besteht aus mindestens einer massiven leitenden Platte und aus. einer oder mehreren Metallplatten, die mit Löchern versehen sind, deren ao sämtliche Abmessungen sich nur wenig voneinander unterscheiden und deren Mittelpunkte die Ecken eines regelmäßigen Netzes bilden, wobei die gelochten Platten alle auf derselben Seite der massiven Platten liegen und zueinander parallel sind, wenn die Löcher dieselben Abmessungen aufweisen. Die Löcher können aber auch verschiedene Abmessungen besitzen, um die gewünschte Energieverteilung und hierdurch das gewünschte Strahlungsdiagramm zu erreichen.The invention allows the elimination of the described Disadvantage. It is based on the properties of a stack of perforated plates that be excited by a wave propagating between the plates. The inventive Directional antenna consists of at least one solid conductive plate and. one or more Metal plates that are provided with holes whose ao all dimensions differ only slightly from one another differentiate and the centers of which form the corners of a regular network, the perforated plates all lie on the same side of the massive plates and are parallel to each other when the holes have the same dimensions. But the holes can also be different Have dimensions to the desired energy distribution and thereby the desired radiation pattern to reach.
Nach einem weiteren Kennzeichen der Erfindung wird die Antenne von der Kante zwischen den Platten her erregt, oder man empfängt umgekehrt die einfallende Welle zwischen den Platten, wenn die Anordnung als Empfangsantenne verwen^ det wird. Die Erregung kann übrigens mittels irgendeiner bekannten Strahlungsquelle vorgenommen werden, z. B. einer Käseantenne, Hornantenne oder Trompetenantenne. Die erfindungsgemäße Antenne arbeitet mit fortschreitenden Wellen, besitzt keine Endplatte, die als Kurzschlußebene wirkt, und ihre Eigenschaften sind derart, daß die zwischen den Platten an ihrem der erregten Seite gegenüberliegenden Ende vorhandene Energie praktisch vernachlässigbar ist. Die Bandbreite ist infolgedessen erheblich vergrößert. Weitere Einzelheiten der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung an Hand der Zeichnung. Hierin zeigtAccording to a further feature of the invention, the antenna is from the edge between excited from the plates, or conversely, the incident wave is received between the plates, if the arrangement is used as a receiving antenna. Incidentally, the excitement can mean any known radiation source, e.g. B. a cheese antenna, horn antenna or trumpet antenna. The antenna according to the invention works with progressive Waves, does not have an end plate that acts as a short-circuit plane, and its properties are such that the one between the plates at their end opposite the excited side Energy is practically negligible. As a result, the bandwidth is increased considerably. Further details of the invention emerge from the following description with reference to the Drawing. Herein shows
Fig. ι im Schrägbild eine vereinfachte Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne,Fig. Ι a simplified representation in oblique view an antenna according to the invention,
Fig. 2 und 3 in Draufsicht und Seitenansicht eine Ausführungsform einer solchen Antenne,FIGS. 2 and 3 show an embodiment of such an antenna in plan view and side view,
Fig. 4 und 5 in Draufsicht und Seitenansicht eine andere Ausführungsform,FIGS. 4 and 5 show another embodiment in plan view and side view,
Fig. 6 im Schrägbild eine Anregungsmöglichkeit für eine solche Antenne und6 shows, in an oblique view, an excitation possibility for such an antenna and
Fig. 7 und 8 eine weitere Ausführungsform in Draufsicht und Seitenansicht.7 and 8 a further embodiment in plan view and side view.
Der Deutlichkeit halber ist bei den Seitenansichten angenommen, daß die Lochplatten sich an der Vorderseite der Anordnung befinden. In allen Figuren tragen entsprechende Teile gleiche Bezugszeichen. For the sake of clarity, it is assumed in the side views that the perforated plates are attached the front of the assembly. Corresponding parts have the same reference symbols in all figures.
Nach Fig. 1 besitzt die erfindungsgemäße Antenne eine massive Reflexionsplatte 1 und eine dazu parallele Lochplatte 2. Die Löcher C1, C2 usw. sind in dem gewählten Beispiel kreisförmig, und ihre Mittelpunkte bilden die Ecken eines regelmäßigen Ouadratnetzes. Theorie und Experiment zeigen, daü eine zwischen den Platten fortschreitende und senkrecht zu den Plattenebenen polarisierte Welle im Außenraum ein Maximum der Strahlung in einer Richtung besitzt, die in einer zur Fortpflanzungsebene parallelen Ebene liegt und mit der Normalen auf die Platten, einen Winkel ψ einschließt, der eine Funktion der Wellenlänge und des Mittenabstandes der Locher ist. Die in den Außenraum abgestrahlte Welle ist- dann in einer Ebene polarisiert, die normal zu den Platten und parallel zur Fortpflanzungsrichtung zwischen den Platten ist. Die Fortpflanzungsrichtung zwischen den Platten ist T0, während die elektrischen Feldvektoren zwischen den Platten und einem Aüßenraum mit E1 bzw. E0 bezeichnet sind.According to FIG. 1, the antenna according to the invention has a solid reflection plate 1 and a perforated plate 2 parallel thereto. The holes C 1 , C 2 etc. are circular in the example chosen and their centers form the corners of a regular square network. Theory and experiment show that a wave propagating between the plates and polarized perpendicular to the plate planes has a maximum of radiation in the outer space in a direction which lies in a plane parallel to the plane of propagation and forms an angle ψ with the normal to the plates, which is a function of the wavelength and the center-to-center distance of the holes. The wave radiated into the outer space is then polarized in a plane which is normal to the plates and parallel to the direction of propagation between the plates. The direction of propagation between the plates is T 0 , while the electric field vectors between the plates and an outside space are designated E 1 and E 0, respectively.
Umgekehrt erzeugt eine auf die Platten unter einem richtig gewählten Einfallswinkel ψ auftreffende Welle, die in der Einfallsebene polarisiert ist, eine Strahlung zwischen den Platten, die man durch geeignete Mittel aufnehmen kann. Diese Erscheinung ist selektiv in dem Sinn, daß eine ge- go ringe Änderung des Winkels ψ die betreffende Strahlung stark dämpft. Man begreift leicht, daß eine unter dem Winkel ψ auftreffende Welle sich an jedem Loch mit der zwischen den Platten laufenden Welle in Phase befinden kann. Nimmt man also an, daß die Differenz der Fortpflanzungszeiten der schiefen Welle und der zu den Platten parallelen Welle gleich einem ganzen Vielfachen η der Schwingungsdauer ist, so erhält man die Beziehung :Conversely, a wave impinging on the plates at a correctly chosen angle of incidence ψ , which is polarized in the plane of incidence, generates radiation between the plates which can be picked up by suitable means. This phenomenon is selective in the sense that a slight change in the angle ψ strongly attenuates the radiation in question. It is easy to understand that a wave hitting the angle ψ can be in phase at any hole with the wave running between the plates. If one assumes that the difference between the propagation times of the oblique wave and that of the wave parallel to the plates is equal to a whole multiple η of the period of oscillation, one obtains the relation:
A V A V
(ι)(ι)
Hierbei ist X die Wellenlänge der einfallenden Welle im freien Raum; X1 die Wellenlänge der zwischen den Platten fortschreitenden Welle; 2 p der Abstand zwischen den Lochmitten und η eine ganze Zahl. , -Where X is the wavelength of the incident wave in free space; X 1 is the wavelength of the wave traveling between the plates; 2 p is the distance between the centers of the holes and η is an integer. , -
Im häufigsten Fall, wo man eine einzige Hauptkeule erhalten will, muß sein: 2> 2 p und η = ι.In the most common case, where one wants to get a single main lobe, must be: 2> 2 p and η = ι.
Da praktisch X1 sehr nahe an X liegt, ergibt sich für eine genügend große Anzahl von Lochplatten die Näherungsformel:Since X 1 is practically very close to X , the approximation formula results for a sufficiently large number of perforated plates:
sin ψ = 1,1.sin ψ = 1.1.
2P 2 p
(Wenn nur eine oder zwei Lochplatten vorhanden sind, ist die zu verwendende Formel etwas komplizierter.)(If there are only one or two perforated plates, the formula to use is something more complicated.)
Aus dieser Formel ergibt sich, daß der Abstand zwischen den Mitten zweier aufeinanderfolgender Löcher zwischen 0,4 X und X liegen muß.From this formula it follows that the distance between the centers of two consecutive holes must be between 0.4 X and X.
Fig. 2 und 3 zeigen eine Ausführungsform einer iss solchen Antenne. Sie besitzt eine massive Reflektor-Figs. 2 and 3 show an embodiment of an iss such antenna. It has a massive reflector
platte ι und zwei gelochte Platten 2Ö und 2b, wobei alle Platten nebeneinander angeordnet sind und vertikal, parallel und äquidistant angenommen sind. Die Antenne wird beispielsweise mit Hilfe eines Hohlleiters 4 erregt, der durch ein Horn 3 verlängert ist, das an die Schmalseiten der Platten 1 und 2a, also an ein Ende der Platten angrenzt. Der Winkel ψ ist durch DON gegeben, wobei 0-N die Normale auf die Platte 1 in ο ist. Die bevorzugte Fortpflanzungsrichtung ist dann die horizontale Richtung O-D, und das. elektrische Feld der abgestrahlten Welle ist parallel zum Vektor E0. plate ι and two perforated plates 2 Ö and 2 b , all plates are arranged side by side and are assumed to be vertical, parallel and equidistant. The antenna is excited, for example, with the aid of a waveguide 4 which is extended by a horn 3 which is adjacent to the narrow sides of the plates 1 and 2a , that is to say to one end of the plates. The angle ψ is given by DON , where 0-N is the normal to plate 1 in ο. The preferred direction of propagation is then the horizontal direction OD, and the electric field of the emitted wave is parallel to the vector E 0 .
In einer solchen Antenne, bei der die Erregung vonIn such an antenna where the excitation of
einem Ende aus geschieht, kann man den Energieverlust der sich zwischen den Platten fortpflanzenden Welle kompensieren, indem man den Lochdurchmesser in den Platten in dem Maße vergrößert, in welchem man sich von den erregten Rändern entfernt.If one end happens, one can see the loss of energy propagating between the plates Compensate the shaft by increasing the hole diameter in the plates to the extent that in which one moves away from the excited margins.
In diesem Fall bleiben die Platten eben, sind aber nicht mehr parallel und sollen sich allmählich voneinander entfernen. Um den Winkel zwischen den Ebenen zu berechnen, betrachtet man die in bezug auf die massive Platte zu der Lochplatte symmetrische Platte. Diese beiden Platten bilden dann mit Ausnahme der massiven Platte ein Resonanzsystem, das durch entsprechende Wahl des Keilwinkels abgestimmt wird, der auf diese Weise bei gegebener Wellenlänge bestimmt ist.In this case, the panels remain level, but are no longer parallel and are intended to move gradually away from each other. To calculate the angle between the planes, consider the in relation on the solid plate symmetrical to the perforated plate. These two plates then form With the exception of the solid plate, there is a resonance system that can be achieved through the appropriate choice of the wedge angle is tuned, which is determined in this way at a given wavelength.
Um die günstigte Feldverteilung zu erhalten, sucht man im allgemeinen eine Energieverteilung an der Oberfläche der Außenplatte zu erreichen, die symmetrisch zur Antennenmitte ist, während am freien Ende der Antenne die Feldstärke gering sein soll, weil man dann keine Reflektorplatte braucht. Das Gesetz der Zunahme des Lochdurchmessers, das diese Energieverteilung bedingt, kann experimentell bestimmt werden. Die Güte der Feldstärkenbündelung wächst offensichtlich mit der Plattenlänge A-B. Im gewählten Beispiel ist die Bündelung in der Horizontalebene viel stärker als diejenige in der Vertikalebene, da die Platten langgestreckte Form haben. Man kann immer die Hauptstrahlungsachse 0-D mittels einer geeignetenIn order to obtain the favorable field distribution, one generally seeks to achieve an energy distribution on the surface of the outer plate that is symmetrical to the center of the antenna, while the field strength should be low at the free end of the antenna, because then no reflector plate is needed. The law of the increase in the hole diameter, which causes this energy distribution, can be determined experimentally. The quality of the field strength bundling obviously increases with the plate length AB. In the example chosen, the bundling in the horizontal plane is much stronger than that in the vertical plane, since the plates have an elongated shape. One can always determine the main radiation axis 0-D by means of a suitable
Stellung der Antenne in jede beliebige Richtung des Raumes zeigen lassen. Die Antenne kann als vollkommen starres Gebilde aufgebaut werden, indem man alle Platten untereinander verschraubt.Have the antenna point in any direction in the room. The antenna can be considered perfect Rigid structures can be built up by screwing all the plates together.
Um ein symmetrisches Strahlungsdiagramm zu erreichen, ist es einfacher und mechanisch richtiger, die Antenne in der Mitte zu erregen. Eine bevorzugte Ausführungsform hierfür ist in Fig. 4 und 5 dargestellt. Die Antenne hat V-Form und ist symmetrisch zur Ebene der Winkelhalbierenden. In diesem Beispiel ist für eine gegebene Wellenlänge λ der Winkel zwischen den Platten zu π — 2 ψ gewählt, so daß das Strahlungsdiagramm symmetrisch zur Ebene der Winkelhalbierenden ist. Die horizontale Spür 0-D dieser Ebene ist die Vorzugsrichtung. Die Hauptkeule des Feldstärkediagcamms ist bei L dargestellt. Die Platten können dann alle mit Löchern von gleichem Durchmesser versehen sein, was für die Herstellung sehr vorteilhaft ist.To achieve a symmetrical radiation pattern, it is easier and mechanically more correct to excite the antenna in the center. A preferred embodiment for this is shown in FIGS. The antenna has a V-shape and is symmetrical to the plane of the bisector. In this example, for a given wavelength λ, the angle between the plates is chosen to be π - 2 ψ , so that the radiation diagram is symmetrical to the plane of the bisector. The horizontal track 0-D of this level is the preferred direction. The main lobe of the field strength diagram is shown at L. The plates can then all be provided with holes of the same diameter, which is very advantageous for production.
Fig. 6 zeigt im Schrägbild eine Anregungsart der soeben beschriebenen erfindüngsgemäßen Antenne. Ein Hohlleiter 4, der eine transversal und parallel zur Schmalseite polarisierte Welle (Vektor -E) führt, ist durch einen Hornstrahler 3 verlängert, an den sich zwei parallel epipedische Elemente 5 und 6 unter einem stampfen Winkel anschließen, die durch einen Anpassungsstift 7 teilweise getrennt sind. Diese hohle Anordnung· kann vorgefertigt werden, wonach die Platten an den Kanten E-F, G-H, E'-F' und G'-H' angesetzt werden. Die Energie der Welle wird zwischen die beiden Plattensysteme 1, 2a und 1', 2/ eingeleitet. Die massiven Platten 1 und 1', die einen Winkel π—2 ψ einschließen, wirken als Reflektor, während die Lochplatten 2a, 2/ und 2b, 2b' die Strahlung in den Außenraum bewirken.6 shows, in an oblique view, a type of excitation of the antenna according to the invention just described. A waveguide 4, which carries a wave polarized transversely and parallel to the narrow side (vector -E), is extended by a horn antenna 3, to which two parallel epipedic elements 5 and 6 adjoin at a stamping angle, which are partially separated by an adapter pin 7 are. This hollow arrangement can be prefabricated, after which the panels are attached to the edges EF, GH, E'-F ' and G'-H' . The energy of the wave is introduced between the two plate systems 1, 2 a and 1 ', 2 /. The massive plates 1 and 1 ', which enclose an angle π- 2 ψ, act as a reflector, while the perforated plates 2 a , 2 / and 2 b , 2 b ' cause the radiation to the outside.
Fig. 7 und 8 stellen eine Antenne dar, die eine recht erhebliche Bündelung sowohl in der Horizontalebene als auch in der Vertikalebene aufweist. Die Antenne ist also in beiden Richtungen der Plattenebene ziemlich ausgedehnt. Sie wird in der Mitte von der Kante her erregt, beispielsweise mit Hilfe eines Hohlleiters, der in geeigneter Weise orientierte Schlitze längs der Seiten A-B, A'-B' und C-D, C-D' besitzt.Figures 7 and 8 illustrate an antenna which has a fairly substantial focus both in the horizontal plane and in the vertical plane. The antenna is therefore quite extended in both directions of the plane of the plate. It is excited in the middle from the edge, for example with the aid of a waveguide which has appropriately oriented slots along the sides AB, A'-B ' and CD, CD' .
Als praktisches Beispiel seien die Abmessungen einer Versuchsantenne in V-Form gemäß den Fig. 4 bis 6 mit einer massiven Platte und zwei Lochplatten angegeben: As a practical example, let the dimensions of a test antenna in V-shape according to FIG. 4 up to 6 specified with a solid plate and two perforated plates:
Wellenlänge λ — 3,42 cmWavelength λ - 3.42 cm
Mittenabstand aufeinander-Center-to-center distance
■ folgender Löcher 2P = 2,9 cm■ the following holes 2 P = 2.9 cm
Lochdurchmesser 0 = 1,4 cmHole diameter 0 = 1.4 cm
Plattenlänge (Länge einesPlate length (length of a
Schenkels des V) 125,0 cmLeg of V) 125.0 cm
Plattenbreite 12,0 cmPlate width 12.0 cm
Plattenwinkel i6o°Plate angle i6o °
(ψ=ΙΟ°)(ψ = ΙΟ °)
Abstand zwischen massiver PlatteDistance between massive plate
und erster Lochplatte 2,3 cmand first perforated plate 2.3 cm
Abstand zwischen zwei Lochplatten 1,3 cmDistance between two perforated plates 1.3 cm
Bündelung (Tangentenwinkel am
Ursprung des Feldstärkendiagramms) i°Bundling (tangent angle on
Origin of the field strength diagram) i °
Die Erfindung ist nicht auf die dargestellten und beschriebenen Ausführungsbei spiele beschränkt. Insbesondere kann man auch eine einzige Lochplatte verwenden. Ferner kann man von einer größeren Anzahl Gebrauch machen, wobei die anderen Platten zur Anpassung dienen. Die Löcher sind aus konstruktiven Gründen vorzugsweise kreisförmig, können aber auch jede andere Form aufweisen, abgesehen von sehr langgestreckten Formen, welche die Polarisationsrichtung der ausgestrahlten Welle beeinflussen. Schließlich kann die Anregung durch jedes geeignete Mittel geschehen, z. B. durch Dipole, Hohlleiter, konzentrische Leitungen, Hörner u. dgl.The invention is not limited to the illustrated and described Ausführungsbei games. In particular, a single perforated plate can also be used. You can also use a Make use of a larger number, with the other plates being used for adaptation. The holes are preferably circular for design reasons, but can also be any other shape have, apart from very elongated shapes, which the polarization direction of the emitted Affect wave. Finally, the suggestion can be by any suitable means, z. B. by dipoles, waveguides, concentric lines, horns and the like.
Bei einer Abänderung, die insbesondere für Meterwellen geeignet ist, werden die Lochplatten durch Metallgitter ersetzt, deren MaschenweiteIn a modification that is particularly suitable for meter shafts, the perforated plates replaced by metal grids, the mesh size of which
zwischen 0,4 λ und λ liegen muß, wenn man eine einzige Hauptkeule haben will.must be between 0.4 λ and λ if one wants to have a single main lobe.
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