Richtantenne
Die Erfindung bezieht sich auf eine Richtantenne zum Senden und Empfangen sehr kurzer elektromagnetischer Wellen, welche Antenne auf eine mittlere Wellenlänge Ä abgestimmt ist, mit einem vor einem Speisesystem angeordneten Verzögerungssystem, auf dem sich die elektromagnetischen Wellen mit einer Phasengeschwindigkeit langsamer als die Lichtgeschwindigkeit ausbreiten. Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die Symmetrieachse des Speisesystems (M, F, R) bei Anordnung eines einzigen Verzögerungssystems mit dessen Längsachse und bei Anordnung mehrerer Verzögerungssysteme mit deren gemeinsamer Mittelachse zusammenfällt.
Es gibt Richtantennen, die als sogenannte Yagi-Antennen bzw. Leitscheibenantennen (siehe z. B. Bündelung elektrischer Wellen durch Leitscheiben , Zeitschrift für angewandte Physik, VI. Band, Heft 10, 1965, Seiten 462... 470) und dergleichen bekannt sind. Um einigermassen guten Gewinn zu erzielen, ist eine Vielzahl von Dipolen nötig, und die Abmessungen werden sehr gross.
Es sind in neuerer Zeit auch sogenannte Backfire Antennen bekannt geworden, die aus zwei Reflektoren, einem dazwischenliegenden Speiseelement sowie dazwischenliegenden Verzögerungsstrukturen bestehen und bei denen die Anordnung so getroffen ist, dass mindestens ein Teil der vom Speiseelement abgestrahlten Wellen an den an beiden Enden der Antenne liegenden Reflektoren reflektiert wird und der überwiegende Teil der Energie an einem Antennenende abgestrahlt wird (DP 1 167 920).
Ferner sind sogenannte Short-Backfire-Antennen bekannt, bei denen die Verzögerungsstruktur zwischen den Reflektoren weggelassen ist, die also nur aus zwei Reflektoren und einem dazwischen angeordneten Speiseelement bestehen (Proceedings of the IEEE, Vol. 53, Nr. 8, August 1965, Seiten 1138... 1140).
Durch die eingangs gekennzeichnete Richtantenne sollen die bekannten weitergebildet und so verbessert werden können, dass trotz geringem Aufwand an Dipolen und dergleichen ein höherer Gewinn erzielt werden kann als mit einer der oben erwähnten bekannten Antennen und auch in einem breiteren Frequenzband Anwendung finden können.
Insbesondere soll durch die Kombination einer Short-Backfire-Antenne mit einem an sich von Yagioder Leitscheiben-Antennen her bekannten Verzögerungssystem eine Richtantenne geschaffen werden, mit der man eine wesentlich höhere Leistung erzielen kann als mit allen bisher bekannten Richtantennen dieser Art.
Man kann ausserdem auch Richtdiagramme mit extrem niedriger Rückwärtsstrahlung erhalten.
Die Gewinnerhöhung kann vor allem dadurch erreicht werden, dass das Verzögerungssystem durch das aus einem Speisedipol und zwei Reflektoren gebildete Speisesystem angeregt wird, dessen Gewinn wesentlich höher als der Gewinn der üblichen, meist aus einem Speisedipol und nur einem Reflektor bestehenden Speisesystem von bekannten Längsstrahlern, z. B. Yagis, liegt. Das Speisesystem der erfindungsgemässen Richtantenne hat bei einer Länge von A/2 allein bereits einen höheren Gewinn als eine 5 i lange optimal dimensionierte Yagi-Antenne.
Einzelheiten von Ausführungsbeispielen der Richtantenne werden im folgenden anhand schematischer Skizzen näher erläutert.
Fig. 1 bis 5 zeigen Ausführungsbeispiele für den Aufbau eines Speisesystems, wie er zur Kombination mit einem davor angeordneten Verzögerungssystem besonders geeignet ist.
Fig. 6 bis 12 zeigen Ausführungsformen von erfindungsgemässen Richtantennen.
Das in Fig. 1 dargestellte Speisesystem besteht aus einem kreisförmigen, ebenen Reflektor M und einem im Abstand davor angeordneten Reflektor R, der seinerseits aus drei Reflektorstäben besteht. Die beiden Reflektoren M und R sind in Ebenen quer zur Längsachse h der Antenne angeordnet. Zwischen diesen beiden Reflektoren M und R ist ein Speiseelement F in Form eines Dipols angeordnet. Der Reflektor R kann auch eine Me tallscheibe von weniger als t/ro der Fläche des Reflektors M sein. Die axiale Länge L des Speisesystems beträgt ungefähr eine halbe Wellenlänge. Der speisende Dipol liegt gewöhnlich in der Mitte zwischen den Reflektoren M und R. Durch Verschieben des Dipols aus der Mitte kann der Eingangswiderstand des Dipols an die Speiseleitung angepasst werden.
Die Richtwirkung des Speisesystems lässt sich durch eine den äusseren Reflektorrand umgebende Randfläche B von 0,25 bis 0,5 Wellenlängen Breite noch wesentlich verbessern.
Das Speisesystem der Fig. 1 erreicht mit einem Reflektor M von 2 Wellenlängen Durchmesser bei optimaler Einstellung aller Parameter einen Gewinn von 15 dB über den isotropischen Strahler. Im Strahlungsdiagramm dieses Hohlraumstrahlers liegen alle Seitenzipfel um mehr als 20 dB, und die Rückwärtsstrahlung um mehr als 30 dB unter dem Maximum in der Hauptstrahlrichtung. Für diese besonders günstigen Diagramme ist die Kreisform des Reflektors M zum Teil verantwortlich, aber auch quadratische oder vieleckige Reflektoren, die leichter herstellbar sind, geben sehr gute Diagramme.
Anstelle des ebenen Reflektors M kann auch ein Winkelreflektor verwendet werden.
Es hat sich gezeigt, dass es meistens ausreicht, die Randfläche B nur in der Polarisationsrichtung der Strahlung vorzusehen. Deshalb benötigt z. B. ein quadratischer Reflektor M eines linear polarisierten Strahlers nur auf den zu dem Speisedipol parallelen Kanten und ein kreisförmiger oder vieleckiger Reflektor M nur entlang zweier gegenüberliegender, ungefähr 900 breiter Sektoren des Umfangs eine Randfläche. Allerdings muss bei kreisförmiger oder elliptischer Polarisation die Randfläche den gesamten Umfang des Reflektors M umgeben.
Der Frequenzbereich des Strahlers nach Fig. 1 ist hauptsächlich durch die Systemlänge L begrenzt. Sieht man eine axiale Verstellbarkeit des Reflektors R und damit eine Veränderung der Länge L vor, dann kann der Strahler für Höchstgewinn über den gesamten Frequenzbereich, den der Speisedipol beherrscht, abgestimmt werden. Dabei ergibt ein Verschieben des Re flektors R zu M hin Abstimmung für höhere und eine Verschiebung von M weg Abstimmung für niedrigere Frequenzen.
Definiert man, wie öfters üblich, als die benützbare Bandbreite des Strahlers den Frequenzbereich, innerhalb dessen der Antennengewinn ungefähr proportional der Fläche des Reflektors M ist und alle Nebenzipfel der Diagramme in E- und H-Ebene um mindestens 10 dB unter dem Maximum liegen, dann ist die Bandbreite des für eine gegebene Frequenz optimal dimensionierten Strahlers ungefähr 1,3:1, er lässt sich aber durch Veränderung der Länge innerhalb eines Frequenzbereiches 2:1 auf Höchstgewinn abstimmen.
Es hat sich gezeigt, dass man auch mit fest eingestellter Länge L eine Bandbreite von nahezu 2:1 erreichen kann, wenn man die Parameter des Speisesystems für verschiedene Frequenzen optimal dimensioniert. Bei einem praktischen Modell wurde dies z. B. dadurch erreicht, dass die Reflektoren M und R für die höchste Frequenz des gewünschten Frequenzbereiches und die Länge L für % dieser Frequenz optimal bemessen wurden.
Eine noch grössere Bandbreite erhält man mit der in Fig. 2 gezeigten Antenne, bei der noch ein dritter Re flektor S vorgesehen ist, der ungefähr die gleiche Form und Grösse wie der Reflektor R hat. Dieser Reflektor S ist in einem Abstand G vom Reflektor R und parallel zu ihm angeordnet. Wegen des sehr komplizierten Zusammenwirkens der verschiedenen Parameter muss der Dp- timalwert des Abstandes G, der im allgemeinen zwischen einem Viertel und der Hälfte der Länge L liegt, experimentell ermittelt werden. Selbstverständlich muss dabei der Speisedipol für den vorgesehenen Frequenzbereich geeignet sein.
Bei einem Ausführungsbeispiel mit kreisförmigen Reflektoren M, R und S wurden beste Ergebnisse über einen Frequenzbereich von mehr als 2:1 bei folgenden Abmessungen des Speisesystems, ausgedrückt in der Wellenlänge R der höchsten Frequenz erreicht:
Durchmesser des Reflektors M 2,00 A
Durchmesser des Reflektors R 0,50 X
Durchmesser des Reflektors S 0,45 Ä
Breite der Randfläche B 0,35 Ä
Systemlänge L 0,67 A
Abstand zwischen R und S G 0,16 A
Man kann die verhältnismässig grosse Bandbreite des Strahlers von Fig. 2 auf das Zusammenwirken von drei verschiedenen Antennenprinzipien zurückführen, von denen jedes in einem Teil des Frequenzbereiches vorherrschend ist.
Bezeichnet man mit f1 die höchste Frequenz, dann arbeitet die Antenne sozusagen als Hohlraumstrahler bis zu etwa 0,8 fh. Der Hohlraumeffekt verliert mit abnehmender Frequenz seinen Einfluss, und die Reflektoren R und S nähern sich ihren optimalen Dimensionen als Direktoren bei ungefähr 0,7 fh. In diesem Frequenzbereich wirkt die Antenne bis zu ungefähr 0,6 fh als Längsstrahler mit zwei Direktoren. Für noch niedrigere Frequenzen verlieren R und S ihre Direktoreigenschaften, und die Antenne arbeitet schliesslich bis unter 0,5 fh als Reflektorantenne mit dem Speisedipol als einzigen wirksamen Teil vor dem Reflektor M.
Fig. 3 zeigt einen Hohlraumstrahler, der ohne herausragende Teile in einen Körper eingebaut ist. Die Randfläche B reicht hier über die ganze Länge L. P ist eine dielektrische Platte, die parallel zu M angeordnet und mit der Randfläche B verbunden ist. Sie trägt gleichzeitig den Reflektor R. Dieser Hohlraumstrahler stellt eine vollkommen geschlossene Anordnung dar, die sich leicht auch wetterfest aufbauen lässt. Ihre Einbautiefe beträgt nur eine halbe Wellenlänge. Ein gemäss Fig. 3 gebautes Versuchsmuster, das mit einer Platte aus Plexiglas abgedeckt war, zeigte einen weiteren kleinen Gewinnanstieg und eine weitere Verkleinerung der Nebenzipfel.
Fig. 4 zeigt einen Hohlraumstrahler mit weiter verringerter Einbautiefe. Die dielektrische Deckplatte P liegt in der Ebene des Speisedipols F, und der Reflektor R ist der einzige ausserhalb der geschlossenen Anordnung liegende Teil der Antenne. Er kann, wie Fig. 5 zeigt, mit dem Mittelpunkt der Platte P oder über zwei Stäbe Q mit der Randfläche B verbunden sein. Für lineare Polarisation müssen diese Stäbe Q, falls sie aus Metall hergestellt sind, senkrecht zur Polarisationsrichtung verlaufen (Q für vertikale, Qt für horizontale Polarisation), für zirkulare Polarisation müssen sie aus nichtleitendem Material bestehen.
Zum Aufbau einer vollständigen Richtantenne kann jede der beschriebenen Ausführungen von Speisesystemen mit jedem bekannten Verzögerungssystem kombiniert werden, z. B. mit einer Dipolantenne, einer Leit scheibenantenne, einer Wendel oder einem dielektrischen Stab.
Fig. 6 zeigt ein erstes Ausführungsbeispiel einer vollständigen erfindungsgemässen Richtantenne. Das in Fig.
1 gezeigte Speisesystem ist hier mit einem Verzögerungssystem D kombiniert, welches wie bei der bekannten Yagi-Antenne aus einer Reihe von Direktoren gebildet wird. Zur Vereinfachung der Zeichnungen sind die Abstände zwischen Reflektoren, Speisedipol und Direkte ren gleich gross gewählt. Der Speisedipol und der Reflektor M wird dabei an der gleichen Stelle wie der Speisedipol und der Dipolrellektor einer bekannten Yagi-Antenne angeordnet. Der Reflektor R ersetzt den ersten Direktor einer bekannten Yagi-Antenne.
Der Gewinn einer solchen kombinierten Richtantenne steigt mit der Verlängerung des Verzögerungssystems D. Die optimale Phasengeschwindigkeit der kombinierten Richtantenne ist verschieden von der eines bekannten Längsstrahlers gleicher Länge. Gewinn und Diagramme der Richtantenne werden noch etwas verbessert, wenn man die Direktoren D nach dem abstrahlenden Ende der Antenne hin in an sich bekannter Weise von Dipol zu Dipol in ihrer Länge verkleinert.
Der horizontale Verlauf des Speisedipols F nach Fig.
6 zeigt an, dass diese Antenne für horizontale Polarisation gedacht ist. Für vertikale Polarisation müssen sich sämtliche Dipole in vertikaler Richtung erstrecken. Für alle übrigen Polarisationswinkel sollte am besten ein Kreuzdipol als Speisedipol verwendet werden, sollte Reflektor R eine kreisförmige Scheibe mit ungefähr 0,5 Wellenlängen Durchmesser sein und muss das Verzögerungssystem aus Kreuzdipolen bestehen oder ein anderes für die vorgesehene Polarisation geeignetes Verzögerungssystem sein.
Die Länge der Richtantenne lässt sich ohne Absinken des Antennengewinnes verkürzen, wenn man zwei oder mehrere Verzögerungssysteme vorsieht, die entweder übereinander oder nebeneinander angeordnet sind.
Fig. 7 zeigt z. B. einen derartigen Aufbau mit zwei übereinander angeordneten Verzögerungssystemen D1 und D2. Der Reflektor M hat hier eine quadratische Form. Er ist nur auf den in der Polarisationsrichtung verlaufenden Seiten mit Randflächen B versehen. F ist ein bekannter Breitbanddipol. Die beiden Systeme D1 und D2 werden direkt aus der Apertur des Speisestrahlers gespeist, der selbst nur von einem einzigen Speiseelement F angeregt ist. Ordnet man die beiden Verzögerungssysteme übereinander oder nebeneinander an, dann verringert sich die Breite der Hauptkeule des Strahlungsdiagramms in der H-Ebene bzw. in der E-Ebene ohne merkliche Veränderungen in der E- bzw. H-Ebene.
Die gleichzeitige Anordnung von zwei oder mehr Verzögerungssystemen über- und nebeneinander verschmälert die Hauptkeule in beiden Ebenen. Durch Verschieben der Verzögerungssysteme innerhalb der Apertur des Speisestrahlers und durch Veränderung ihrer Phasengeschwindigkeit lässt sich das Nebenzipfelverhalten und der Gewinn der Richtantenne beeinflussen.
Es sei besonders darauf hingewiesen, dass die beschriebene Anordnung von mehreren Verzögerungssystemen nichts mit der bekannten Anordnung von zwei oder mehr Yagis vor einem gemeinsamen ebenen oder abgewinkelten Reflektor zu tun hat. Bei einem derartigen bekannten Strahler wird das Verzögerungssystem jeder einzelnen Yagi-Antenne durch einen eigenen Dipol oder je zwei Yagi-Antennen durch einen Doppeldipol gespeist, und die Verzögerungssysteme müssen zwecks starker Kopplung in kleinem Abstand immer vor ihren Speisedipolen angeordnet sein. Im Gegensatz dazu werden die zwei oder mehr Verzögerungssysteme bei der erfindungsgemässen Antenne aus der Apertur des Speisesystems gespeist, welches selbst von einem einzigen mit den Verzögerungssystemen nicht direkt gekoppelten Speiseelement angeregt ist.
Die Fig. 8 bis 10 zeigen Ausführungsbeispiele für die Anordnung der Verzögerungssysteme D bei linear polarisierten Richtantennen, bei welchen die hier nicht dargestellten Speisedipole in der jeweiligen Polarisationsrichtung angeordnet sind. Die Fig. 11 und 12 zeigen Ausführungsbeispiele für Antennen mit mehreren Verzögerungssystemen, und zwar für beliebige Polarisasationsrichtungen, bei denen nicht näher gezeigte Kreuzdipole als Speiseelement vorgesehen sind.
Bei der beschriebenen Richtantenne muss die elektrische Länge L angenähert ein Vielfaches einer halben Wellenlänge sein, und die Reflektoren M und R müssen eine derartige Abmessung haben, dass sich die benötigte stehende Resonanzwelle im Speisesystem ausbilden kann und nur ein sehr geringer Teil der Energie aus diesem System nach den Seiten, der Hauptteil dafür aus der in der Ebene des Reflektors R liegenden Apertur abgestrahlt wird. Diese Forderung wird am besten erfüllt, und Höchstgewinn bei gleichzeitig günstigen Strahlungsdiagrammen wird erreicht mit einem Reflektor M mit einem Durchmesser von ungefähr 2,2 Wellenlängen der höchsten vorgesehenen Frequenz, einem Reflektor R von 0,5 Wellenlängen Durchmesser, einer Speisesystemlänge L von 0,5 Wellenlängen und bei Verwendung einer Randfläche von ca. 0,25 Wellenlängen.
Wird bei gleichbleibender Länge L der Reflektor M vergrössert, dann erhöhen sich die Nebenzipfel, und der Antennengewinn beginnt wieder abzunehmen. Wird anderseits L z. B. auf eine ganze Wellenlänge vergrössert, dann muss für optimale Wirkungsweise vor allem für Erreichung eines erhöhten Gewinnes auch der Reflektor M in seinen Abmessungen vergrössert werden.