DE975274C - Richtantenne fuer sehr kurze elektromagnetische Wellen - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Flächenstrahler, dessen Höhe von der Mitte aus nach den Seiten hin abnimmt.

Die Erfindung besteht darin, daß die Begrenzungsfunktion y = + —fi (x) bei einer inhomogenen

Belegung α {χ, y) der Apertur des Flächenstrahlers in Abhängigkeit von dieser elektrischen Belegung α (χ, y) derart gewählt ist, daß sich für

v =+4/it»)

J α {χ, y) dy = d-f_h{x)

ν- -ίγ'

eine glockenartig verlaufende Funktion ergibt, wobei y die auf der Sendeebene senkrecht stehende Koordinate der Aperturebene, χ die in der Sendeebene liegende Koordinate der Aperturebene, /,· (x) die Begrenzungsfunktion der inhomogen belegten Apertur, f% (x) die Begrenzungsfunktion der homogen belegten Ersatzapertur und d die maximale Ausdehnung der Apertur senkrecht zur Sendeebene bedeuten.

Die Anforderungen, die an das Strahlungsdiagramm einer Richtantenne gestellt werden, sind je nach dem Verwendungszweck verschieden. Fast immer aber werden kleine Nebenmaxima des Strahlungsdiagramms verlangt. Bei den Antennen der Richtfunktechnik wird diese Forderung nach kleinen Nebenmaxima bedingt durch das Bestreben, mit möglichst wenigen Hochfrequenzkanälen aus-

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zukommen. Der mit einer bestimmten Frequenz betriebene Sender kann einen auf derselben Frequenz arbeitenden Empfänger stören, der eigentlich nur von einem anderen Sender Energie aufnehmen sollte. Da der geforderte Unterschied zwischen Nutz- und Störsignal je nach Art der Anlage im Einzelfall bis zu 8o db betragen kann, sind die Forderungen hinsichtlich der Nebenmaxima der Richtantenne unter Umständen außerordentlich ίο scharf. Sie werden mit den bisher eingesetzten Antennen keineswegs so erfüllt, daß man immer die gewünschte Freiheit bei der Streckenführung und der Wahl der Frequenzkanäle hat. Die Abb. ι zeigt die Stationen A, B₁ C, D einer Richtfunkstrecke, deren Felder abwechselnd mit den Frequenzen I bzw. II betrieben werden. Bei gerader Streckenführung würde die Antenne der Station A direkt mit ihrem Hauptmaximum in die Antenne der Station D strahlen. Man führt daher die Strecke in einer Zickzacklinie, bei der die Sendeantenne der Station^ mit einer gegenüber dem Hauptmaximum verminderten Feldstärke nach D strahlt, wobei die Verminderung durch das Richtdiagramm und den Winkel $_A bestimmt wird. Ebenso empfängt die Empfangs antenne von D mit einer gegenüber dem Hauptmaximum verminderten Stärke.

Man wird daher bestrebt sein, die durch die

Richtdiagramme und die Winkel & gegebene Abnähme der Strahlungsenergie möglichst groß zu machen, mit anderen Worten die Nebenmaxima der Antenne möglichst klein zu halten.

Es wird nun bei der Beurteilung eines Strahlungsdiagramms im allgemeinen nur von der Größe der Nebenmaxima gesprochen. Es kommt aber nicht nur auf ihre Größe an, sondern ebenso auf ihren Winkelabstand von der Hauptkeule und bei einer breiten Hauptkeule auch auf deren Form. Es soll daher der Begriff der »Winkeldämpfung« eingeführt werden, die ein Maß für die Abnahme der Strahlungsenergie (gemessen in db relativ zum Hauptmaximum) darstellt, wenn man um einen bestimmten Winkel von der Hauptstrahlrichtung abgeht. Für den praktischen Fall ist dann im Bereich der Nebenmaxima die Hüllkurve des Diagramms für die Winkeldämpfung maßgebend.

In der Richtfunktechnik werden meistens sehr scharf bündelnde Antennen verlangt, weshalb fast ausschließlich Flächenstrahler wie Parabolspiegel, Linsenantennen, Hornstrahler oder auch Planspiegel für Umlenkzwecke verwendet werden.

Bei Flächenstrahlern kann bekanntlich die Winkel dämpfung durch eine nach dem Rand hin abnehmende Belegung der elektrischen Erregung erhöht werden, was bei Parabolspiegeln, Linsenantennen und Hornstrahlern zwangläufig mehr oder weniger auftritt.

Einer Erhöhung der Winkeldämpfung auf diese Weise sind aber praktisch Grenzen gesetzt, da mit einer nach dem Rand hin abnehmenden Belegung eine nicht unerhebliche Abnahme der Flächenausnutzung, d. h. des Antennengewinns gegenüber dem Fall der homogenen Belegung verbunden ist.

Diese Abnahme ist um so größer, je stärker die Belegung nach dem Rande zu abnimmt, also je kleiner die Nebenmaxima werden sollen. Außerdem ist es schwierig, eine für sehr große Winkeldämpfung günstige Belegungsform zu realisieren, und endlich gibt es Fälle, bei denen zwangläufig eine annähernd homogene Belegung vorhanden ist, z. B. bei den in der Richtfunktechnik gebräuchlichen Umlenkspiegeln, die bei großer Entfernung von den aktiven Antennen von einer nahezu ebenen Wellenfront getroffen werden.

Nun kann man die Strahlungscharakteristik an Stelle der Belegung in gleicher Weise auch durch die Form des Flächenstrahlers beeinflussen, wie folgende Zusammenhänge erkennen lassen:

Das Beugungsdiagramm in der x-2-Ebene (d. h. φ = Null) einer rechteckigen Apertur mit den Seiten c, d_T und der elektrischen Belegung a(x) nung c in der ^--Richtung durch die Gleichung

dx

(I)

während das Beugungsdiagramm in der x-s-Ebene einer homogen belegten Apertur mit beliebiger Be- go grenzungsfunktion/(.*·), aber der gleichen Ausdehnung c in dr x-Richtung durch die Gleichung

= d_bjf(x)

• χ · sin &

dx (2)

dargestellt ist (vgl. Abb. 4).

Für f(x) = a(x) werden die rechten Seiten der Gleichungen (1) und (2) einander gleich, d. h., es ist das Strahlungsdiagramm einer rechteckigen Apertur mit der Belegung α (χ) gleich dem Strahlungsdiagramm einer homogen belegten Apertur mit einer Begrenzungsfunktion f(x) = α {χ), wobei die Ausdehnung c in der .tr-Richtung die gleiche ist. Dies gilt auch für das Beugungsdiagramm in der 3/-£-Ebene, wenn die Begrenzungsfunktion / (y) gleich der Belegungsfunktion α (y) und die Abmessung d in beiden Fällen gleich gewählt ist.

Mit anderen Worten heißt dies, es liefert eine homogen belegte, beliebig begrenzte Apertur in einer bestimmten Ebene das gleiche Beugungsdiagramm wie eine entsprechend belegte rechteckige Apertur mit gleicher Ausdehnung in dieser Ebene.

Es erscheint daher theoretisch zweckmäßig, abgesehen von Schwierigkeiten in der vollkommenen Realisierung, eine Begrenzung nach einer Funktion Q~ox² _{zu w}ählen, welche die Nebenmaxima theoretisch völlig zum Verschwinden bringt, da je eine derart belegte rechteckige Fläche bekanntlich keine Nebenmaxima aufweist.

In der Tat werden mit einer derartigen Begrenzungsfunktion die Nebenmaxima des Flächen-Strahlers in der Sendeebene bereits gering im Ver-

gleich zu einem quadratischen Spiegel, selbst wenn man die Begrenzungsfunktion, so wie in der Abb. 5

dargestellt, bereits bei χ = — mit einem Wert

y = / (x) = 0,045 ¹ abbrechen läßt; bei x = o ist defmationsgemäß / (x) = 1; die e-Funktion als solche würde nämlich fordern, daß der Flächenstrahler erst im Unendlichen die Vertikalausdehnung y = Null besitzt.

In der Praxis kommt es jedoch zusätzlich meist nicht nur darauf an, die Nebenmaxima unter Aufbietung eines beliebigen Aufwandes an technischen Hilfsmitteln zu verringern, sondern mit einer bestimmten Aperturform gegebener Flächengröße 6g eine möglichst große Winkeldämpfung zu erzielen.

So ist z. B. ein Reflektor bekannt, bei dem die Höhe seiner Spiegelfläche von der Mitte nach den Seiten zu nach einer binomischen Reihe abnimmt.

Unter diesem Gesichtspunkt ist eine sehr brauchbare Form, bei der die Nebenmaxima unter denen der Exponentialform liegen, die rhombische.

Das Diagramm eines derartigen Flächenstrahlers für homogene Belegung ergibt sich durch die Gleichung

^C7t

• \^C7t ■ d( , d . sin —τ- sm ν cos φ -\ sin

[2 λ \ ^Ψ C

W . \cn . I d .

9 sm —τ- sin P cos φ sin φ

^Y \ [2λ \ ^Ψ C ^Y

cn . _αί d . \ cm . „/ d . \ —τ- sm ν cos φ -\ sin φ —_r sm ir cos φ sm φ

2 λ \ ^r C ^r 2 λ \ ^r C ^r

(3)

welche ebenso wie die Gleichung eines quadratischen Spiegels der allgemeinen Form

_Q sin u sin ν χ (φ, 0) = _ _ (4)

entspricht.

Das der Gleichung zugrunde liegende räumliche Koordinatensystem ist dabei in der Abb. 3 der Vollständigkeit halber noch mit dargestellt.

Das erste Nebenmaximum in einer durch die Diagonale gehenden Ebene liegt 26 db unter dem Hauptmaximum gegenüber 13,6 db bei einer zu den Seitenkanten parallelen Ebene beim Rechteck und 17,7 db beim Kreis.

Noch wesentlich bessere Ergebnisse mit Rücksicht auf die Winkeldämpfung lassen sich erzielen, wenn gemäß der Erfindung eine Begrenzungsfunktion vom Typ y = f(x) = cos"— verwendet wird.

Hierbei bedeutet η eine positive reelle Konstante, die je nach den gewünschten Diagrammforderungen gewählt werden kann.

Für n=i, also cos-förmige Begrenzung, ist das Strahlungsdiagramm gegeben durch (Abb. 6)

cos

-sini

4 ^ (cn

T U

(5)

für η — 2, also cos²-förmige Belegung, lautet es (Abb. 7)

sin(si

ΧΨ) =

π² sin I-

, „ „ [cn . Q τ sm ν π² — -γ- sm ν

■ (6)

Die ersten Nebenmaxima in der Λτ-2-Ebene betragen bei der cos-förmigen Begrenzung 23 db, bei der cos²-förmigen 31,3 db.

Die Verwendung einer Begrenzungsfunktion entsprechend einer höheren cos-Funktion ergibt theoretisch eine weitere Zunahme der Winkeldämpfung, es nimmt jedoch zugleich auch die Sperrigkeit der Antenne zu. So würde beispielsweise bei einer Begrenzungsfunktion y — f(x) = cos³ (—) das erste

Nebenmaximum 40 db betragen, die strahlende Fläche aber nur 32¹⁰Zo des der Apertur eines beschriebenen Rechteckes ausmachen.

In der Abb. 2 sind die mit den in den Ausführungsbeispielen erläuterten Flächenstrahlerformen erzielbaren Ergebnisse im Vergleich zum quadratischen und kreissymmetrischen Flächenstrahler in einem Diagramm dargestellt. Dabei sind bei gleicher Maximalausdehnung in der Horizontal- und Vertikalebene (c=d) sämtliche Aperturen flächengleich zugrunde gelegt. Größere Winkeldämpfung in der Horizontalebene erhält man, wenn man die Ausdehnung der Apertur in der Horizontalebene entsprechend vergrößert.

Dabei sind auf der Abszisse die Abstrahlwinkel, bezogen auf das Hauptmaximum, aufgetragen, während auf der Ordinate die entsprechenden Winkeldämpfungen in db, bezogen auf die Hauptkeule¹, angegeben sind (im Bereich der Nebenmaxima die Hüllkurve). Dabei beziehen sich von den eingetragenen Kurven die mit einem Strich versehenen Bezugszeichen auf die Nebenstrahlung, während die ohne Strich gekennzeichneten Bezugszeichen sich auf die Hauptstrahlung beziehen. Die mit i, 1' bezeichneten Kurven entsprechen einem quadratischen Flächenstrahler, dessen eine Seitenkante parallel zur Sendeebene verläuft, mit C₀= 20 λ. Die Kurven 2, 2' entsprechen einem üblichen kreisförmigen Flächenstrahler mit c= 1,127 c₀, während die Kurve 3 den Verlauf des Strahlungsdiagramms eines Flächenstrahlers mit Exponentialbegrenzungsfunktion wiedergibt mit c = ]/z-c₀. Die Kurven 4, 4' zeigen das Strahlungsdiagramm eines rhombischen Flächenstrahlers mit c = ]/2~c₀, während die Kurven 5, 5' und 6, 6' das Strahlungsdiagramm eines Flächenstrahlers mit cos- bzw.

cos²-Begrenzungsfunktion wiedergeben, wobei der cos-Strahler ein c= 1,25 -C₀ besitzt, während der cos²-Flächenstrahler ein c=yi"c₀ hat. Es zeigt sich hierbei, daß die rhombische Form sowie die cos-Funktionsbegrenzung wesentlich günstigere Werte für die Winkeldämpfung ergeben als die bisher bekannten Ausführungsformen von Flächenstrahlern, nämlich der quadratische und der kreisförmige Flächenstrahler.

In der Praxis hat es sich gezeigt, daß ζ. Β. mit Rücksicht auf eine einfachere Bauweise und die Sperrigkeitsf orderung die spitz auslaufenden Enden zweckmäßig weggelassen werden, was im allgemeinen keinen Einfluß auf die Winkeldämpfung hat. Die cos²-förmige Begrenzungsfunktion läßt sich folgendermaßen zerlegen:

f _{x) = _cos2 ^j = 0,5 + 0,5 cos (Ξ£\. (₇)

Dem entspricht eine Zerlegung des Strahlungsdiagramms in zwei Komponenten, deren Beiträge in ihren Nebenmaxima genau gegenphasig, in ihren Beträgen aber nicht gleich groß sind:

sm

χ ψ) =

sm ir

cn

sm

cn . _Q
sin -r- sm ν

cn
T

(8)

Man kann nun die Winkeldämpfung unter einem bestimmten gewünschten Abstrahlwinkel bzw. Winkelbereich theoretisch unendlich groß machen, indem man die Absolutbeträge der beiden gegenphasigen Komponenten für diesen Abstrahlwinkel gleichmacht. Dies wird durch die Wahl einer Begrenzungsfunktion erreicht, bei der man an die Stelle der beiden 0,5-Werte in Gleichung (7) zwei

I V JU . Q

sm —τ- sm v \ λ cn . „ andere, voneinander verschiedene, die vorstehende Bedingung erfüllende Werte α und b einsetzt, also

f(x) = a

Dem entspricht ein Strahlungsdiagramm:

cn . Λ . cn . \ —r- sm ν sm —t~ sm ν λ j \ A j

(9)

(10)

Die Größe von α und b ergibt sich aus der Bedingung, daß bei einem bestimmten Abstrahlwinkel die Absolutbeträge der beiden Komponenten obiger Gleichung gleich werden sollen. Eine Apertur mit einer solchen Begrenzungsfunktion würde etwa das Aussehen der in Abb. 5 dargestellten Form haben. Man nimmt dabei jedoch den Nachteil in Kauf, daß bei anderen Abstrahlwinkeln die Winkeldämpfung entsprechend abnimmt. In der Praxis ist ein derartiges Strahlungsdiagramm stets dann zweckmäßig, wenn der Einfluß der Nebenstrahlung unter einem bestimmten Abstrahlwinkel vernachlässigbar klein gemacht werden soll.

Bei den vorstehenden Ausführungen zu den einzelnen Beispielen erfindungsgemäßer Ausführungsformen von Flächenstrahlern ist eine homogene Belegung der Flächenstrahler zugrunde gelegt. Die Erfindung ist jedoch keineswegs auf eine derartige homogene Belegung beschränkt, vielmehr können auch nicht homogen belegte Aperturen Anwendung finden. Dabei sind die theoretischen Zusammenhänge allerdings weit komplizierter, und die mit Rücksicht auf die Winkeldämpfung günstige Aperturform ist zweckmäßig in Abhängigkeit von der jeweiligen Belegung zu wählen. Auch ist in vielen Fällen, z. B. bei Trichter- oder Hohlrohrstrahlern, die Belegung bis zu einem gewissen Maße eine Funktion der Aperturform.

Die theoretischen Zusammenhänge zwischen Belegung und günstiger Aperturform lassen sich verhältnismäßig leicht überblicken, wenn man folgenden Kunstgriff anwendet. Man kann nämlich das durch die Gleichungen (1) und (2) gegebene Analogon zwischen Belegung und Begrenzung der Apertur derart erweitern, daß man eine beliebig begrenzte, beliebig belegte Apertur bezüglich ihres Diagramms in einer bestimmten Ebene (z. B. Horizontaldiagramm) zurückführen kann auf eine homogen belegte Apertur mit einer ganz bestimmten Begrenzung. Diese ergibt sich dabei aus der Belegung und Begrenzung der inhomogen belegten Apertur. Der mathematische Ausdruck für die Strahlungscharakteristik einer inhomogen belegten Apertur mit der Begrenzungsfunktion fi (x) und der Belegungsfunktion α {x, y) ergibt sich zu:

' = +ΤΓ V= +IT

(<p> &) = J J ^a (^x> y)

■ χ sin -$■ cos ψ j —τ—■ y sin -5" sin ψ

• e dx dy.

Das Strahlungsdiagramm wird dann in der Sendeebene (^=NuIl)

, 2«

j —=— · a · sin ί

J a(x,y) · e ^λ ί#, rfy;

■y'iW (12)

durch einen Vergleich mit dem entsprechenden Ausdruck für die homogene Belegung Gleichung (2)

. 2»

ί?Λ; (2)

erkennt man, daß das Horizontaldiagramm der inhomogen belegten Apertur gleich dem der homogen belegten Apertur ist, wenn

a{x,y)dy = d-f_h{x). (13)

Es lassen sich also im Falle inhomogener Belegung für das Horizontaldiagramm prinzipiell nur dieselben Winkel dämp fungen erreichen wie bei homogener Belegung. Man kann nun auch bei der inhomogen belegten Apertur bei der Festlegung der Begrenzung im Hinblick auf große Winkeldämpfung die bei der homogen belegten Apertur gewonnenen Erkenntnisse und Gesetzmäßigkeiten anwenden, d. h., man wird zweckmäßig die Begrenzung der inhomogen belegten Apertur so wählen, daß sich für die Begrenzung f_h (x) der homogen belegten Ersatzapertur nach Gleichung (13) eine der für homogene Belegung als günstig befundenen Formen mit möglichst geringer Winkeldämpfung ergibt. Es ist daher zweckmäßig, der Begrenzungsfunktion f_h (x) der Ersatzapertur einen wenigstens angenähert glockenartigen Verlauf zu geben, d. h. insbesondere einen Verlauf nach der Funktion

cos"— oder einen der anderen für homogene Be-

legung vorstehend erläuterten Funktionen.

Ist α (χ, y)—a {χ), d. h., es hängt die Belegungsfunktion nur von χ ab, so wird aus der Gleichung (13)

d. h., die Begrenzung der homogen belegten Ersatzapertur muß einfach ein Produkt aus Belegung und Begrenzung der inhomogen belegten Apertur sein.

Man würde also z. B. mit einer Belegung cos [—

und einer Begrenzung cos [—1, bezogen auf die

V ^c /

Sendeebene, in der Sendeebene das gleiche Strahlungsdiagramm erhalten wie bei einer cos²-Apertur mit homogener Belegung.

Durch geeignete Formgebung der Apertur eines Flächenstrahlers in Abhängigkeit von der Belegung und umgekehrt läßt sich daher die Winkeldämpfung von Flächenstrahlern in der Sendeebene erheblich verbessern.

Claims (6)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Richtantenne für sehr kurze elektromagnetische Wellen, bestehend aus einem Flächenstrahler, dessen Höhe von der Mitte aus nach den Seiten hin abnimmt, dadurch gekennzeichnet,

   daß die Begrenzungsfunktion y— + — ft (x) bei

   einer inhomogenen Belegung α (χ, y) der Apertur des Flächenstrahlers in Abhängigkeit von dieser elektrischen Belegung a(x,y) derart gewählt ist, daß sich für

   J a{x,y)dy = d - f_h(x)

   eine glockenartig verlaufende Funktion ergibt, wobei y die auf der Sendeebene senkrecht stehende Koordinate der Aperturebene, χ die in der Sendeebene liegende Koordinate der Aperturebene, fi(x) die Begrenzungsfunktion der inhomogen belegten Apertur, f_h (x) die Begrenzungsfunktion der homogen belegten Ersatzapertur und d die maximale Ausdehnung der Apertur senkrecht zur Sendeebene bedeuten.
2. 2. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur des Flächenstrahlers symmetrisch ausgebildet ist.
3. 3. Anordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Apertur des Flächenstrahlers rhombisch ausgebildet ist.
4. 4. Anordnung nach Anspruch 1 oder 2, da,-durch gekennzeichnet, daß die Apertur des Flächenstrahlers wenigstens angenähert nach einer Funktion y = cosⁿx gewählt ist, wobei χ die laufende Koordinate in der Sendeebene, y die laufende Koordinate in einer hierzu senkrechten Ebene und η eine beliebig wählbare Konstante, deren Wert größer als Null ist, bedeutet.
5. 5. Anordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei einem Strahler, dessen Charakteristikfunktion in der Sendeebene aus zwei gegenphasigen Summanden mit winkelabhängigem Betrag besteht, beispielsweise eine solche nach Gleichung (10), zur Erzielung eines besonders hohen Wertes an Nebenstrahlungsfreiheit unter einem bestimmten Abstrahlungswinkel bzw. Winkelbereich die Apertur des Flächenstrahlers derart gewählt ist, daß durch geeignete Wahl der entsprechenden Summanden der Begrenzungsfunktion beispielsweise nach Gleichung (9) die Summanden der Charakteristikfunktion unter dem vorgegebenen Ab-Strahlwinkel gleichen Betrag aufweisen.
6. 6. Anordnung nach Anspruch 1 oder folgenden, gekennzeichnet durch eine solche Aufstellung des Flächenstrahlers, daß eine seiner Diagonalen wenigstens annähernd mit einer Ebene zusammenfällt, in welcher ein Strah-

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   lungsdiagramm mit stark unterdrückten Nebenzipfeln erwünscht ist, wobei die Abmessung des Flächenstrahlers in der genannten Ebene größer gewählt ist als in einer hierzu senkrechten Ebene.

   In Betracht gezogene Druckschriften: Akustische Zeitschrift, Bd. 6 (1941), S. 90 ff.; Silver: »Microwave Antenna«, Theory and Design, New York, 1949, S. 169 bis 199, 451 bis und 254.

   Hierzu i Blatt Zeichnungen

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