DE977776C - Richtantenne mit veraenderbarer Strahlungsrichtung - Google Patents

Description

Bei Fernlenkgeschossen und schnellen Flugzeugen benötigt man Richtantennen, welche die aerodynamischen Eigenschaften der Fahrzeuge so wenig wie möglich beeinträchtigen. Man hat daher eingebaute Antennen verwendet, die sich so nahe wie möglich an die Oberfläche der Fahrzeuge anschmiegen. Beispielsweise sind Richtantennen bekannt, in denen eine Anzahl von miteinander identischen Abschnitten einer Übertragungsleitung in Verlängerung voneinander angeordnet sind, wobei strahlende Elemente in gleichen Abständen auf jedem dieser Leitungsabschnitte angebracht sind. Man hat auf diese Weise bereits Antennen herstellen können, welche Höchstfrequenzwellen mit sehr stark gerichteten Diagrammen aussenden. Die Veränderung der Strahlungsrichtungen der Sendebzw. Empfangsdiagramme ist bei diesen Antennen aber nicht möglich. Da aus den oben angegebenen Gründen die Verwendung von rotierenden strahlenden Elementen ausgeschlossen ist, ist die Lösung ao dieser Aufgabe sehr schwierig.

Das Ziel der Erfindung liegt daher in der Schaffung einer eingebauten Antenne, deren Strahlungsbündel auf einen öffnungswinkel von weniger als io° konzentriert werden kann, und dessen Strahlungsrichtung ohne Verwendung von beweglichen Teilen nach Wunsch eingestellt werden kann.

Dies wird erfindungsgemäß dadurch erreicht, daß Phasenschieber vorgesehen sind, welche den Leitungsabschnitten die Energie zuführen, und daß Einrichtungen zur elektrischen Steuerung der Phasenschieber vorgesehen sind.

Die erfindungsgemäße Maßnahme hat zur Folge, daß an den Verbindungsstellen der verschiedenen Leitungen Phasenunstetigkeiten auftreten, die alle identisch und veränderbar sind. Dadurch ist die

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scheinbare Phasengeschwindigkeit der Welle auf der Übertragungsleitung elektrisch einstellbar, so daß sich die von den verschiedenen Unstetigkeiten abgetrahlten Wellen gleichphasig in einstellbaren Richtungen vereinigen. Somit ist die scheinbare mittlere Phasengeschwindigkeit der Höchstfrequenzenergie einstellbar.

Die Erfindung ergibt also eine Richtantenne mit scharfer Bündelung und einstellbarer Strahlungsrichtung, die keine mechanisch bewegten Teile enthält und sich flach an die Oberfläche eines Flugzeugs od. dgl. anschmiegen kann.

Die verwendeten Phasenschieber sind vorzugsweise Ferritphasenschieber. Ihre elektrische Länge wird mittels Spulen geregelt, welche von Strömen einstellbarer Stärke durchflossen werden.

Verschiedene Ausführungen der Erfindung sind in der Zeichnung beispielsweise dargestellt. Darin zeigt

zo Fig. ι ein Schema zur Erläuterung des Grundgedankens,

Fig. 2 ein Prinzipschema der erfindungsgemäßen Antenne,

Fig. 3 ein Diagramm zur Erläuterung der Wirkungsweise der Anordnung von Fig. 2,

Fig. 4 eine perspektivische Ansicht eines ersten Ausführungsbeispiels der Antenne, welche eine Richtwirkung in der Ε-Ebene ergibt, Fig. 5 eine Darstellung eines Teils der Antenne von Fig. 4,

Fig. 6 einen Längsschnitt durch einen elektrisch gesteuerten Phasenschieber,

Fig. 7 einen Querschnitt durch den Phasenschieber von Fig. 6,

Fig. 8 eine Teilansicht eines Ausführungsbeispiels der Erfindung, die eine Richtwirkung in der -Ε-Ebene und in der Η-Ebene ergibt,

Fig. 9 die Ansicht der Gesamtantenne von Fig. 8 nach dem Einbau in ein Luftfahrzeug und Fig. 10 das Strahlungsdiagramm der Antenne von Fig. 8 und 9.

In Fig. ι ist eine Übertragungsleitung 1 schematisch durch eine Gerade dargestellt. Auf ihr sind in gleichen Abständen strahlende Elemente 2 verteilt. Wenn ν die Lichtgeschwindigkeit im freien Raum und V₁ die Phasengeschwindigkeit einer Höchstfrequenzwelle auf der Übertragungsleitung ist, so erfolgt bekanntlich die Abstrahlung von sämtlichen Elementen 2 in der Zeichenebene in einer Richtung, die mit der Leitung einen Winkel Θ einschließt, der durch folgende Gleichung definiert ist:

— cos Θ.

»ι

Nur in dieser einzigen Richtung vereinigen sich die von den verschiedenen Elementen abgestrahlten Wellen gleichphasig. Wenn ein Mittel vorhanden ist, mit dem die Phasengeschwindigkeit verändert werden kann, so besteht offensichtlich die Möglichkeit, diesen Winkel Θ zu verändern.

Zu diesem Zweck wird erfindungsgemäß einer Leitung der zuvor erläuterten Art eine besondere Vorrichtung zur Änderung der Phasengeschwindigkeit zugeordnet,

Fig. 2 zeigt schematisch die erfindungsgemäße Maßnahme.

Bei der Anordnung von Fig. 2 sind die Elemente 2 in Gruppen I, II... zusammengefaßt, von denen jede die gleiche Anzahl von Elementen enthält. Diese Elementengruppen werden parallel von einer Leitung 3 über Phasenschieber 4 gespeist. Die Phasenschieber erzeugen auf der Leitung 1 an diskreten Punkten die gleiche regelbare Phasendifferenz φ ₀, und sie werden durch das gleiche Steuerglied 5 gesteuert.

Die Wirkungsweise dieser Anordnung läßt sich an Hand von Fig. 3 leicht verstehen. Fig. 3 zeigt die Änderungen der Phasendifferenz φ zwischen der Welle am Eingang der Leitung von Fig. 1 und der Welle an einem Punkt dieser Leitung, der in einer bestimmten Entfernung vom Eingang liegt, in Abhängigkeit von z. Wenn zunächst angenommen wird, daß φ₀ gleich Null ist, so ist auf Grund des Aufbaus der Leitung die Phasengeschwindigkeit entlang der Leitung konstant, und der Wert φ ist proportional z. Die Kurve φ = / (s) entspricht dann der Geraden C₁, von Fig. 3. Es sei nun angenommen, daß die Phaseuschieber so eingestellt werden, daß sie eine Phasenverschiebung <p₀ erzeugen, go Dies drückt sich dadurch aus, daß auf der Leitung an den Anschlußstellen gleiche Unstetigkeiten des Wertes φ₀ erzeugt werden.

Die Kurve C₂ für φ = f (s) besteht dann aus einer Folge von Geraden-Abschnitt cn parallel zu S₁ und von Unstetigkeiten, die parallel zur 93-Achse liegen.

Nun ist die Phasengeschwindigkeit auf einer Leitung gleich der Ableitung V₁ = -~-. Die erfindungsgemäße Leitung verhält sich praktisch wie eine Leitung, deren Phasengeschwindigkeit gleichförmig und im wesentlichen gleich der mittleren Neigung der Kurve C₂ ist.

Wenn man ein Mittel kennt, mit dem φ₀ verändert werden kann, besitzt man also die Möglichkeit, die Strahlungsrichtung Θ der Leitung zu verändern,

da cos · Θ = — ist.

Fig. 4 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel der erfmdungsgemäßen Antenne.

Die Übetragungsleitung 1 ist ein Rechteckwellenleiter. Auf seiner einen Breitseite sind in gleichförmigen Abständen strahlende Querschlitze 2 in an sich bekannter Weise angeordnet. Die Phasenverschiebungen φ₀ werden durch Phasenschieber 4 erzeugt, die mittels der durch die Spulen 5 fließenden Ströme regelbar sind. Ein Ausführungsbeispiel der Phasenschieber wird später erläutert. Diese Phasenschieber liegen in Serie auf einem Wellenleiter 3, und der Ausgang jedes Phasenschiebers ist über einen Wellenleiterabschnitto mit der Leitung 1 gekoppelt. Eine solche Antenne ergibt eine gerichtete Keule in der .E-Symmetrieebene des Wellenleiters (Symmetrieebene der Breitseiten).

Fig. 5 zeigt in vergrößerter Darstellung ein

Element der erfindungsgemäßen Antenne. Die Leitung ι ist ein Rechteckwellenleiter, der für die Wellenlänge 3 cm bemessen ist. Er besitzt die genormten Abmessungen für dieses Band. Ein Streifen 7 aus Polytetrafluorethylen liegt in der Symmetrieebene des Wellenleiters, damit die Phasengeschwiridigkeit ν ₁ im Wellenleiter verringert und in die Nähe des Wertes von ν gebracht wird. Die

Schlitze besitzen eine Breite von etwa — = 0,1 cm.

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Sie liegen in Abständen von 0,5 cm.

Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel des Ferritphasenschiebers im Längsschnitt, während Fig. 7 den Querschnitt zeigt. Der Phasenschieber ist ein Abschnitt 24 des Wellenleiters 3, der die gleichen Querabmessungen wie der Wellenleiter 1 hat. Im Inneren dieses Abschnitts ist gleichachsig zu seiner Symmetrieachse ein Ferritstab 8 angeordnet, der in ein Rohr 9 aus Polytetrafiuoräthylen eingeschlossen ist. Zwei Micaver-Scheiben 10 dienen zur Anpassung des Ferritstabs. Rings um den Abschnitt 24 ist eine Wicklung 11 gewickelt.

Als Anhaltspunkt seien folgende Werte angegeben: Für die Wellenlänge λ = 3 cm wurde ein Phasenschieber gebaut, der folgende Abmessungen und Leistungen zeigte: Die Abmessungen des Wellenleiters sind die genormten Innenabmessungen 10,16 mm X 22,86 mm.

Die Länge des Abschnitts 24 beträgt 8,5 cm. Die Länge des Rohres aus Polytetrafiuoräthylen beträgt 6,y cm.

Die Länge der Micaver-Scheiben beträgt 0,5 cm. Die Länge des Ferritstabs beträgt 4,8 cm und sein Durchmesser 0,6 cm.

Das Polytctrafluoräthylen bildet eine Lamelle von ¹Ao mm Stärke, die um das Ferrit gewickelt ist. Die Spulen enthält 90 Windungen pro Zentimeter von 90/100 des Durchmessers, und ihr Widerstand beträgt 4,7 Ohm. Bei einer Stromänderung von 0,10 bis 0,5 Ampere ändert sich die Phasenverschiebung ψ₀ linear von 30 bis 230⁰. Der Phasenschieber ergibt Verluste in der Größenordnung von o,s db.

Diese Werte sind natürlich als Beispiele angegeben. Es sei bemerkt, daß Phasenschieber dieser Art an sich bekannt sind.

Mehrere Antennen der beschriebenen Art können so miteinander gekoppelt werden, daß ein zweidimensionales Netz entsteht, das eine Richtwirkung sowohl in der £-Ebene als auch in der //-Ebene ergibt, wobei die //-Ebene die Symmetrieebene des Wellenleiters senkrecht zur £-Ebene ist. Zu diesem Zweck ist ein zweidimensionales Netz von strahlenden Elementen erforderlich.

Fig. 9 zeigt ein derartiges Netz nach dem Einbau in die Flossen 21 eines Luftfahrzeugs, und Fig. 8 zeigt einen Teil dieses Netzes in vergrößerter Darstellung.

Bei dieser Ausführungsart speist ein Wellenleiter 13 über Kopplungsschlitze 25 die in gleichen Abständen angeordneten parallelen Wellenleiter 16. Jeder dieser Wellenleiter speist über Schlitze 20 ein Netz 26 von parallelen Wellenleitern 100, die strahlende Schlitze 28 besitzen. Auf dem Wellenleiter 13 sind zwischen den Schlitzen 25 Phasenschieber 24 angeordnet.

Alle Wellenleiter 100 eines gleichen Netzes 26 werden mit einer Welle gespeist, deren Phasenlage von der Ausbreitungsgeschwindigkeit der Energie auf den Hohlleiter 16 abhängt.

Es besteht also eine konstante Phasendifferenz zwischen den Energien, die von den Schlitzen 28 abgestrahlt werden, welche in der gleichen Ebene senkrecht zur Breitseite der Hohlleiter 100 liegen, so daß sich eine Strahlungsrichtung ergibt, die einen konstanten Winkel mit der Ebene H einschließt.

Das Vorhandensein der Phasenschieber 24 hat wie bei der Anordnung von Fig. 4 die Folge, daß die Strahlungsrichtung mit der Ebene E der Hohlleiter 100 einen veränderlichen Winkel einschließt.

Die Strahlungsrichtung liegt also in einer Geraden, die einen festen Winkel mit der //-Ebene und einen veränderlichen Winkel mit der Ζϊ-Ebene einschließt. In Fig. 10 ist schematisch das Strahlungsdiagramm dargestellt, das mit der Anordnung von Fig. 9 erhalten wird.

Claims (6)

PATENTANSPRÜCHE:

1. Richtantenne mit veränderbarer Strahlungsrichtung für Fahrzeuge, in der eine Anzahl von miteinander identischen Abschnitten einer Übertragungsleitung in Verlängerung voneinander angeordnet sind, wobei strahlende EIemente in gleichen Abständen auf jedem dieser Leitungsabschnitte angebracht sind, dadurch gekennzeichnet, daß Phasenschieber vorgesehen sind, welche den Leitungsabschnitten die Energie zuführen, und daß Einrichtungen zur elekirischen Steuerung der Phasenschieber vorgesehen sind.

2. Antenne gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leitungsabschnitte Wellenleiter mit strahlenden Schlitzen sind.

3. Antenne gemäß Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Phasenschieber elektrisch gesteuerte Ferritphasenschieber sind.

4. Antenne gemäß Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß ein Wellenleiter vorgesehen ist, der über eine Anzahl von Abzweigungen mit den Leitungsabschnitten gekoppelt ist, daß die Ferritphasenschieber zwischen den Abzweigungen angeordnet sind und daß auf den Phasenschiebern Spulen zur Steuerung der Phasenschieber angebracht sind, wobei Einrichtungen zur Regelung des durch die Spulen fließenden Stroms vorgesehen sind.

5. Antenne gemäß Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Ferritphasenschieber einen Rechteckwellenleiterabschnitt enthalten, daß ein Ferritstab in der Achse des Wellenleiters angeordnet ist und daß der Ferritstab von einem Teflonrohr umgeben ist.

6. Antenne gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch eine erste

Übertragungsleitung, eine Anzahl von zweiten Übertragungsleitungen, die parallel in gleichen Abständen voneinander angeordnet sind, wobei Phasenschieber auf der ersten Leitung zwischen den verschiedenen zweiten Übertragungsleitungen angeordnet sind und die strahlenden Leitungsabschnitte in eine AnzaM von Gruppen zusammengefaßt sind, die jeweils von den zweiten Übertragungsleitungen gespeist werden.

In Betracht gezogene Druckschriften:
Deutsche Patentschrift Nr. 884970.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

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