CH262125A - Directional antenna arrangement provided with at least one phase shifter. - Google Patents

Directional antenna arrangement provided with at least one phase shifter.

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CH262125A
CH262125A CH262125DA CH262125A CH 262125 A CH262125 A CH 262125A CH 262125D A CH262125D A CH 262125DA CH 262125 A CH262125 A CH 262125A
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CH
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capacitor
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German (de)
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Ag Standard Telephon Und Radio
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Standard Telephon & Radio Ag
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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/06Rhombic antennas; V-antennas

Landscapes

  • Aerials With Secondary Devices (AREA)

Description

  

  Mit mindestens einem Phasenschieber versehene     Richtantennenanordnung.       Es ist bekannt., dass bei Sende- und  Empfangsrichtantennen, insbesondere     V-An-          tennen,    bei denen stehende Wellen auftreten,  verbesserte Richteigenschaften durch Auftei  lung langer, strahlender Leiter in mehrere  Teile, die über Phasenschieber zusammen ver  bunden sind, erhalten werden, wodurch die  Abstrahlung der verschiedenen Teile der An  tenne ein resultierendes     Strahlungsdiagramm     in der gewünschten Richtung erzeugen, dessen  Feldstärke in der maximalen Strahlungsrich  tung grösser ist als wenn die Leiter nicht  durch solche Phasenschieber aufgeteilt werden.

    Bei diesen Anordnungen wird die     Phasen-          versehiebung    im allgemeinen mittels einer ge  falteten Übertragungsleitung ausgeführt, die  an den Enden der Teile so angekoppelt ist,  dass sie die gewünschte Phasenverschiebung  bei einer besonderen Frequenz verursacht.  Diese Art von .Phasenschieber ist. ganz allge  mein verwendet worden, da eine gefaltete  Übertragungsleitung so angeordnet werden  kann, dass sie keine grosse Unstetigkeit erzeugt,  die störende     Reflektionen    auf der Leitung  hervorrufen könnte.

   Phasenschieber dieser  Art müssen jedoch gewöhnlich sehr lang sein,  da meistens nur eine kleine     Phasenvoreilung     erforderlich ist, und demzufolge die durch ge  faltete Übertragungsleiter erzeugte Phasenver  zögerung nur wenig kleiner als 360 Grad sein  muss, um die gewünschte Phasenkorrektur zu  erhalten.    Obgleich diese gefalteten Übertragungs  leitungen meist so angeordnet sind, dass deren  Abstrahlung möglichst minimal ist, entsteht  doch eine merkbare Strahlung von diesen  Phasenschiebern, die das Strahlungsdiagramm  der Antenne als Ganzes beeinflussen.  



  Ein einfacher Kondensator, der eine     Pha-          senvoreilung    erzeugt, ist nicht geeignet, weil  er eine     Unstetigkeitsstelle    bildet, die eine  starke Reflexion hervorruft und sich in einer  grösseren Verzerrung bemerkbar macht.  



  An Hand der     Fig.    1 bis 5 der beigefügten  Zeichnungen werden nun zunächst die Strah  lungseigenschaften eines langen, strahlenden  Leiters und die Wirkung der erwähnten Un  terteilung durch Phasenschieber näher er  örtert.  



  In     Fig.    1 ist. ein Dipol 11 gezeigt, der eine       Richteharakteristik    12 hat. Solch ein Dipol 11  kann als ein Einheitsstrahler betrachtet wer  den. Diese Richtcharakteristik bleibt so lange  erhalten, wie die Länge L des Dipols elektrisch  sehr kurz ist, z. B. geringer als eine halbe  Wellenlänge lang ist. Wenn wir einen langen  Leiter annehmen, wird jedes einzelne Element  des Leiters phasenverschoben zu den andern  Elementen erregt, so dass die resultierende  Strahlung diejenige einer     Antennenanord-          nun-    aus Einzelelementen ist, wo jedes Ele  ment mit unterschiedlicher Phase erregt wird.  Wenn der Leiter     11    z.

   B. gleich     ).    gemacht  wird, wobei     2,    die     Wellenlänge    der Arbeits-           frequenz        ist,    dann wird die     Richtcharakte-          ristik    die Form von Blättern haben,     wie    in       Fig.    2 in einer Ebene dargestellt ist, das heisst  sie wird die Form eines Rotationskörpers um  den Leiter 11 als Achse haben, dessen Quer  schnittsfläche in     Fig.    2 gezeigt ist.

   Der Win  kel, den das     Strahlungsmaximum    zum Leiter  bildet,     wird    nicht mehr 90  betragen,     wie        im     Fall von     Fig.    1,     sondern        wird        unter    einem  kleineren     Winkel   <B>0,</B>     auftreten.        Wenn    dann  der Leiter bis auf zwei Wellenlängen verlän  gert     wird,    wird die Richtcharakteristik die  jenige von     Fig.    3 sein.

   Dieses Strahlungs  diagramm hat eine maximale Strahlung unter  einem     Winkel    von 0,     zum    Leiter 11 und zwei  Nebenmama 13, wie gezeigt.     Wenn    jedoch  der Leiter     vier    Wellenlängen lang gemacht       wird,        wie    in     Fig.    4 gezeigt ist, erhält die     Richt-          charakteristik        eine    noch andere Form, die       maximale    Strahlung (Blatt 14) tritt unter       einem        Winkel        04    zum Leiter 11 auf.

   Dieser       Winkel        04    ist beträchtlich kleiner als der Win  kel     OZ        für    den zwei Wellenlängen langen Lei  ter. Gleichzeitig treten zusätzlich Neben  mama auf, die mit 15 bezeichnet sind.

   In  jedem dieser verschiedenen Diagramme ist das       Hauptstrahhingsblatt    bei längerer Drahtlänge  grösser     als    die Nebenblätter, aber diese Ver  grösserung gegenüber den Nebenblättern ist  nicht proportional der     Drahtlängenvergrösse-          rung,    da die     Erregungsschwingungen    der ein  zelnen (gedachten)     Einheitsstrahler        nicht    die  für eine     maximale        Richtwirkung    erforderliche  Phasenverschiebung     zueinander    haben.

   Wenn  deshalb     ein        vier    Wellenlängen (4A) langer  Leiter in zwei je zwei Wellenlängen lange  Leiter geteilt würde und eine genügende Pha  senverschiebung zwischen den. beiden Teilen  hervorgebracht würde, so dass die abgestrahl  ten     Schwingungen    der einzelnen 2.     d-Ein-          heiten    sich zusammen unter dem     Winkel        0,     addieren,     würde    dadurch bei derselben     Sender-          leistung    das in     Fig.    4 gezeigte Strahlungs  diagramm 16 (nur in einem Quadranten als  Querschnitt dargestellt) erzeugt werden kön  nen.

    



       Weiterhin    ist es klar, dass die abgestrahl  ten     Schwingungen    der     zwei    Wellenlängen lan-    gen Elemente, die den Leiter 11 von     Fig.    4  bilden, auch in der Richtung von     04    nicht in  Phase     sind.    Wenn sie     iuzter    dem Winkel     04     in Phase wären, dann würden sie in dieser       Richtung    ein stärkeres Feld erzeugen.

   Wenn  die Phasenlage der Erregerschwingungen so  korrigiert wird, dass die abgestrahlten     Schwin-          b        ragen    sich in der Richtung vor     0;    genau  addieren, so werden die Schwingungen auch       -unter    dem Winkel     O4    beträchtlich vergrössert,  weil derselbe nicht sehr von     02    abweicht.  



  In den Zeichnungen der     Fig.    2 bis 4 sind die       Winkel   <B>0,</B> 021 04 nicht in ihrer wirklichen  Grösse dargestellt worden, sondern sind aus       Darstellungsgründen    willkürlich gezeichnet.  Der Winkel     zwischen    der Richtung     maximaler          Abstrahliuig    und dem Leiter hängt von der  in Wellenlängen gemessenen Leiterlänge ab.

    Dies ist ausgeführt in  A     Discussion    of     1VIe-          thods        Employed    in     Calculations    of     Electro-          magnetic    Fields of     Radiating        Conductors      von A.     Alford,    Seite 70 bis 88 in      Electrical          Commiinications         Juli    1936, veröffentlicht       durch    International Standard     Eleetric    Cor  poration.  



  Die vorstehenden Ausführungen können  an Hand von     Fig.    5 noch besser verstanden  werden. In dieser     Figur    sind     zwei    Drähte     A-B     und     C-D        gezeigt,    die in einer geraden Linie  angeordnet sind. Der Draht A -B wird in A  gespeist und die     Hauptstrahhm.gsrichtimg     seiner Strahlung verläuft     unter    dem     Winkel    0  nach einem sehr fernen     Punkt    P. Der Draht       C-D        wird    von<I>D</I> aus über den Phasenschieber  N gespeist.

   Die Länge der Strahler     A-B    und       C-D    sei je gleich<I>L.</I> Die Strahlung, die von  einem Punkt     3I2,    auf     C-D    ausgeht, hat einen  kürzeren Weg nach dem     Punkt    P als die       Strahlung,    die von einem     entsprechenden          Punkt        i711    auf     A-B        ausgeht.    Dieser Weg  unterschied ist gleich L     cos    0.  



       Auf    der andern Seite     würde,    wenn kein  Phasenschieber N zwischen B und C vorhan  den wäre, die Schwingung, die in     1V12        ankommt,     in der Phase hinter der     Schwingung    in     111,        in     der Phase entsprechend der Länge des Weges  <I>L</I> zurück sein.

   Der direkte Weg     AI@P        ist    im-           mer    kürzer als der Weg     Jll.ll_Pl,    und     zwar     kürzer um die Strecke:       L-L        cos   <I>O = L</I>     (1.-cos    O).  



  Die von     11,    ausgehende Strahlung trifft daher  in P gegenüber der von     :l11    ausgehenden Strah  lung mit einer Phasenverzögerung ein, die  gleich
EMI0003.0009  
       (1-eos    O) ist.  



  Diese Phasendifferenz in P wird im allge  meinen beträchtlich geringer als 180      sein,    und  es ist deshalb meist erforderlich, durch den  Phasenschieber N eine     Phasenvoreilung    der  Schwingungen in C gegenüber denjenigen in  <B>B zu</B> bewirken. Die bisher übliche Verwendung  einer gefalteten     Übertragungsleitung    zur Er  zeugung der erforderlichen kleinen     Phasen-          voreilung    der Schwingungen im Leiterabschnitt       C-D    ist aus den eingangs erwähnten Grün  den nachteilig. Die Erfindung gestattet, diese  Nachteile zu beheben.

   Sie betrifft eine     Richt-          antennenanordnung,    bei welcher mindestens  ein langer, strahlender Leiter durch minde  stens einen Phasenschieber in verschiedene  Abschnitte unterteilt ist. Dieselbe zeichnet sich  erfindungsgemäss dadurch aus, dass der Pha  senschieber aus zwei in den Leiter eingeschal  teten     Reaktanzelementen    und dem dazwischen  liegenden Leiterstück besteht, wobei die Grösse  der     Reaktanzen    und der Abstand der Elemente  voneinander so     bemessen    sind, dass diese Ele  mente bei der Betriebsfrequenz mindestens an  genähert in konjugierter Beziehung zueinan  der stehen.

   Eine  konjugierte Beziehung   zwischen den beiden     Reaktanzelementen    be  steht, wenn die     Reflexionswirkungen    dieser  Elemente sich auf den erwähnten Leiterab  schnitten gegenseitig aufheben. Für den Fall  von zwei quer zu einer Übertragungsleitung  angeordneten     Reaktanzelementen    ist diese   konjugierte Beziehung  ausführlich in dem  USA.-Patent Nr. 2147807 erläutert.  



  Die     Fig.    6 bis 9 der beiliegenden Zeich  nung zeigen vier Ausführungsbeispiele der er  findungsgemässen     Richtantennenanordnung     und die     Fig.    10 und 11 konstruktive Einzel  heiten der     verwendeten        Reaktanzelemente.     



  In     Fig.    6 sind zwei Leiterabschnitte     A-B       und     C-D    gezeigt, die durch einen Phasen  schieber verbunden sind, der aus zwei Kon  densatoren C und dem dazwischenliegenden  Leiterstück von der elektrischen Länge     u    be  steht. Jeder der Kondensatoren C wird eine       Phasenvoreilung    erzeugen, so dass die totale       Phasenvoreilung    des Phasenschiebers doppelt  so     gmoss    sein wird wie die durch jeden Kon  densator allein veranlasste.  



  Die Abmessungen des Phasenschiebers kön  nen wie folgt abgeleitet werden:  Wenn die     R.eaktanz        k    jedes Kondensators  X =l;     Ccu    ist, wobei C die Kapazität des     Kon-          densators    und     (o=2        ji   <I>f</I> ist<I>(f</I> =Betriebsfre  quenz), dann ist die     Phasenvoreilung,    die  durch die zwei konjugierten Kondensatoren  bewirkt wird, gleich 2 0, wobei  
EMI0003.0045     
    und Z, den Wellenwiderstand des zwischen.       B    und     C.        befindliehen    Drahtes gegenüber dem  Erdboden bedeutet.  



  Die bei B reflektierte Welle wird durch die  bei C reflektierte Welle kompensiert., wenn der  Abstand     zwischen    den Kondensatoren, also       B-C,    eine elektrische Länge     a =90 ----$     hat.  Vorausgesetzt ist dabei, dass die Amplitude  der von einem Kondensator reflektierten Welle  klein ist gegenüber der Amplitude der durch  gelassenen Welle.  



       -,1Ian    erhält folgende Tabelle:  
EMI0003.0053     
  
    <B>_V/Z.</B> <SEP> <I>u2Zo</I> <SEP> (D0 <SEP> 2(D, <SEP> Q <SEP> 20
<tb>  0,1 <SEP> 0,05 <SEP> 2,8 <SEP> 5,6 <SEP> 1,l1. <SEP> 92,8
<tb>  0,2 <SEP> 0,10 <SEP> 5,7 <SEP> 11,4 <SEP> 1,22 <SEP> 95,7
<tb>  0,3 <SEP> 0,l5 <SEP> 8,5 <SEP> 1.7,0 <SEP> 1,35 <SEP> 98,5
<tb>  0,4 <SEP> 0,20 <SEP> 11,3 <SEP> 22,6 <SEP> 1,45 <SEP> 101,3
<tb>  0,5 <SEP> 0,25 <SEP> 1.4,0 <SEP> 28,0 <SEP> 1,64 <SEP> 104,0
<tb>  0,6 <SEP> 0,30 <SEP> 16,7 <SEP> 33,4 <SEP> 1,81 <SEP> 106,7
<tb>  0,7 <SEP> 0,35 <SEP> l.9,3 <SEP> 38,6 <SEP> l,98 <SEP> 109,3
<tb>  0,8 <SEP> 0,40 <SEP> 21,8 <SEP> 43,6 <SEP> 2,19 <SEP> 111,8
<tb>  0,9 <SEP> 0,45 <SEP> 24,2 <SEP> 48,4 <SEP> 2,39 <SEP> l14,2
<tb>  1,0 <SEP> 0,50 <SEP> 26,5 <SEP> 53,0 <SEP> 2,63 <SEP> 116,5
<tb>  1,1 <SEP> 0,55       Zwischen den Kondensatoren,

   auf dem  Leiterstück     B-C,    entstehen stehende Wellen  und in vorstehender Tabelle ist Q das Wellig-           keitsverhältnis,    das heisst das Verhältnis der       Maximiunspannung    zur     llinimiunspannung     dieser stehenden Welle.  



  Obgleich die konjugierte Beziehung- der  zwei Serienkondensatoren des Phasenschiebers       nur    für eine bestimmte Frequenz erreicht wer  den kann, werden     Betriebsfrequenzen,    die nur  wenig von derselben abweichen, fast keine       Störungen-        verursachen,    solange die     Phasen-          voreilung    nicht zu gross ist.

   Dies deshalb,     weil          für    andere Werte der     Phasenvoreihmg    der  Wert von Q zwischen den Kondensatoren  klein bleibt, so dass selbst dann, wenn der  zweite Kondensator nick in der genauen Ent  fernung vom ersten     liegt,    der Phasenschieber  praktisch noch keine Reflexionsstelle darstel  len wird. Wenn die Antenne bei     mehreren    Be  triebsfrequenzen verwendet werden soll, ist  lediglich zu beachten, dass die     Phasenvor-          eilung    nicht zu gross gemacht wird, damit die  konjugierte     Beziehung    jeweils bei der verwen  deten     Betriebsfrequenz    annähernd gewahrt  bleibt.  



  In     Fig.    7 ist schematisch ein Ausführungs  beispiel der Erfindung dargestellt, bei welchem       zwei    strahlende Leiter der in     Fig.    6 darge  stellten Art verwendet wird. In     Fig.    7 stellt  70 einen Empfänger oder Sender dar. Der  Sender oder     Empfänger-70    ist über     Leitungen     71 an eine     V-Antennenanordnung    gekoppelt,  die die Leiterabschnitte 72, 73, 74 in einer  Antenne     und    die Leiter 75, 76, 77 in der an  dern Antenne aufweist.

   Die Leiterlängen 72  bis 77 sind vorzugsweise gleich und unter  einem derartigen Winkel     zueinander    angeord  net, dass das     gewünschte        Strahlungsdiagramm     sein Maximum in einer Richtung hat, die ge  gen die     Öffnung    des V weist und unter einem       Winkel    zu der Horizontalen geneigt ist, der  von der Nähe des Erdbodens oder anderer re  flektierender Flächen abhängt. Zwischen je  dem dieser Leiterabschnitte ist ein Phasen  schieber 78 der beschriebenen Art vorgesehen.

    Obgleich     üi    der in     Fig.    7 dargestellten An  tennenanordnung jede Antenne in drei Teile  geteilt ist, ist die Anzahl der Teile     selbstver-          ständl#ich        beliebig.       Während in dem     Ausführungsbeispiel          Fig.    7 der Winkel     zwischen    den strahlenden  Leitern der gewünschten Charakteristik     ange-          passt    ist, können die beschriebenen Phasen  schieber auch     in    schon bestehende     V-Antennen-          anordnuugen    eingeschaltet werden,

   um die       Strahlungscharakteristik    zu verbessern, ob  wohl der Öffnungswinkel des V meistens nicht  mehr entsprechend der Richtung der maxima  len Strahlung eingestellt werden kann.  



  Die Tatsache, dass solch eine Verbesserung  erhalten werden kann, ist teilweise aus     Fig.    4  ersichtlich und ist klarer in     Fig.    8     dargestellt.     In     Fig.    8 weist die dargestellte Antennen  anordnung zwei strahlende Abschnitte 81 auf,  die die Leiter einer     V-Antennenanordnung     bilden. Zwischen den Armen 80 und 81 ist  ein Phasenschieber 82 der an Hand von     Fig.    6  beschriebenen Art vorgesehen. Das Strah  lungsdiagramm der Leiter ohne Phasenschie  ber ist durch die ausgezogenen Kurven 83 und  83' dargestellt. Diese Strahlungsdiagramme  sind ohne Nebenmaxima dargestellt.

   Die Rich  tung der maximalen Feldstärke der Blätter  bildet einen Winkel     04    mit den strahlenden  Armen der Antenne. Durch Hinzufügung der       Phasenschieber    werden die Feldstärken ver  grössert und die Richtung der maximalen Feld  stärke verändert, wie mit 84, 84' dargestellt  ist. Durch     Hinzufügung    der Phasenschieber  wird die maximale     Abstrahlungsrichtung    der  Strahler von einem Winkel 04 nach einem  Winkel     0_,    verändert, so dass eine     maximale     Abstrahlung in Richtung der Winkelhalbieren  den des Öffnungswinkels V durch Vergrösse  rung dieses Winkels erhalten werden könnte.

    Wie jedoch ersichtlich ist, wird die Feldstärke  in dieser Richtung auch vergrössert, wenn der  Öffnungswinkel nicht geändert wird. Die  Strahlung der Anordnung in der Richtung  der bestehenden Nachrichtenverbindung wird  also schon allein durch die Phasenschieber ver  bessert.  



  Als ein besonderes Beispiel kann man eine  ebene     V-Antennenanordnung    betrachten, de  ren strahlende Leiter 6.     A,    lang sind und einen  Winkel von 401 einschliessen. Eine derartige       Anordnung    ergibt     angenähert    eine Phasen-      different von 65  zwischen den Schwingungen  der aus zwei Elementen zusammengesetzt ge  dachten Leiter, da  
EMI0005.0001     
    Wenn     Phasenschieber    in der Mitte zwischen  je 3.

       n,    Längen jedes Leiters angeordnet wer  den, sollten sie demnach eine     Phasenvor-          eilung    ergeben,     damit    die Phasendifferenz  Null     wird.    Ohne Phasenschieber würden sieh  die     Strahlungsseliwingungen    mit 65" Phasen  differenz addieren. Die Feldstärke in der ge  wünschten Richtung wird also durch den  Phasenschieber im Verhältnis  
EMI0005.0009     
    vergrössert.

    An Stelle einer     65"-Phasenversehiebung     kann in dem oben gegebenen Beispiel die Kor  rektur nur etwa 50" betragen, was fast ebenso  viel Gewinn ergibt, ohne eine so grosse     Pha-          senvoreilung    in einem einzigen Phasenschieber  zu erfordern.  



  Bei 10 MHz würde dies einen Kondensator  von ungefähr 26,5     ,u,uF    erfordern. Solch ein  Kondensator ist sehr klein und kann aus  einem Paar     Kondensatorplatten    von weniger  als 20     cm-'    aufgebaut werden, die ungefähr  einen Zentimeter Abstand voneinander haben.  Da der Kondensator sehr klein und leicht ist,  kann er bequem von den     Abspannisolatoren     der Antennenleiter getragen werden.  



  Es dürfte klar sein, dass die Richtantennen  anordnung nicht nur aus zwei V-förmig ange  ordneten langen Antennen zu bestehen braucht.  Diese Antennen können an sich beliebig ange  ordnet sein. In     Fig.    9 ist eine Anordnung ge  zeigt, wo eine einseitig gerichtete Abstrahlung  durch Verwendung zweier Antennenpaare 80  und 81     erreicht    wird, die einen geeigneten  Abstand haben. Jede Antenne ist mittels     Kon-          densatorphasenschiebern    83 in einzelne An  tennenelemente geteilt.

   Obgleich nur zwei Ein  heiten     in        Fig.    9 dargestellt sind,     können          selbstverständlich    auch mehrere     Einheiten    in  dieser Anordnung vorgesehen werden. Die bei  den Antennenpaare können von der Quelle 85    erregt werden, wie in     Fig.    9 gezeigt ist. Statt  dessen könnte auch eines der Antennenpaare,  wie z. B. 81,     strahlungserregt    werden.  



  Besondere Beispiele von Kondensatoren,  die für die Phasenschieber geeignet sind, sind  in den     Fig.    10 und 11 gezeigt.     Fig.    10 zeigt.  einen Isolator 50, der zwei Leiterstücke 51  und 52 mechanisch verbindet. Von dem Längs  schaft des Isolators wird der Kondensator,  der durch zwei     zylindriselie    Töpfe 53, 54 ge  bildet wird, getragen. Der eine Topf 53 ist an  den Isolator 50 mittels einer Klammer 57 an  geklammert und ist mittels eines Drahtes  55 mit dem Leiterstück 51 verbunden.  Der andere Topf 54 des Kondensators  ist mittels des Drahtes 56 mit dem Leiterstück  52 verbunden. Die Kapazität des     Kondensators     kann durch Verschiebung des Topfes 53 längs  des Isolators 50 verändert werden.

   Zwischen  den Klammern 57 und 58 und dein Isolator  50 sind     Bleiunterlegscheiben    59 vorgesehen,  damit der durch die Leitung auf den Isolator  55, 56 ausgeübte Zug nicht ein Brechen des  Isolators verursacht.  



  Eine andere     Kondensatorkonstruktion    ist  in     Fig.    11 gezeigt. Gemäss diesem Ausfüh  rungsbeispiel werden anstatt zylindrische     Kon-          densatortöpfe    Scheiben verwendet, die mit 70  und 71 bezeichnet sind. Diese Scheiben sind  vorzugsweise aus     Metallblech    hergestellt und  an den Rändern eingerollt, um die Festigkeit  derselben zu erhöhen und ein Schwingen der  Scheiben zu verhindern, was zu einer Verän  derung des     Kondensatorwertes    führen     würde.     Die Scheiben sind einstellbar an dem Schaft  des Isolators 50 festgeklammert, ähnlich wie  es in     Fig.    10 dargestellt ist.

   Um die Kapazität  des Kondensators einzustellen, kann der Ab  stand zwischen den Platten durch Lösen von  Schrauben und Verschiebung der Platten ge  geneinander geändert werden.  



  Diese     Kondensatorformen    sind besonders  zweckmässig, weil sie leicht sind und leicht an  gebracht werden können.



  Directional antenna arrangement provided with at least one phase shifter. It is known that in transmit and receive directional antennas, especially V antennas, in which standing waves occur, improved directional properties are obtained by dividing long, radiating conductors into several parts that are connected together via phase shifters the radiation of the different parts of the antenna produce a resulting radiation pattern in the desired direction, the field strength of which in the maximum radiation direction is greater than if the conductors are not divided by such phase shifters.

    In these arrangements, the phase shift is generally carried out by means of a folded transmission line which is coupled at the ends of the parts so that it causes the desired phase shift at a particular frequency. This type of .phase shifter is. has been used very generally, since a folded transmission line can be arranged in such a way that it does not create a large discontinuity which could cause disturbing reflections on the line.

   Phase shifters of this type, however, usually have to be very long, since only a small phase advance is usually required, and consequently the phase delay generated by folded transmission conductors only needs to be slightly less than 360 degrees in order to obtain the desired phase correction. Although these folded transmission lines are usually arranged in such a way that their radiation is as minimal as possible, there is noticeable radiation from these phase shifters, which influence the radiation pattern of the antenna as a whole.



  A simple capacitor that produces a phase lead is unsuitable because it forms a point of discontinuity that causes a strong reflection and is noticeable in a larger distortion.



  1 to 5 of the accompanying drawings, the radiation properties of a long, radiating conductor and the effect of the above-mentioned subdivision by phase shifter will now first he localized.



  In Fig. 1 is. a dipole 11 is shown which has a directional characteristic 12. Such a dipole 11 can be regarded as a unit radiator. This directional characteristic is retained as long as the length L of the dipole is electrically very short, e.g. B. is less than half a wavelength long. If we assume a long conductor, each individual element of the conductor is excited out of phase with the other elements, so that the resulting radiation is that of an antenna arrangement - now - of individual elements, where each element is excited with a different phase. When the conductor 11 z.

   B. same). is made, where 2, is the wavelength of the working frequency, then the directional characteristic will have the form of leaves, as shown in FIG. 2 in a plane, that is, it will be in the form of a body of revolution around the conductor 11 as Have axis, the cross-sectional area of which is shown in FIG.

   The angle that the radiation maximum forms to the conductor will no longer be 90, as in the case of FIG. 1, but will occur at a smaller angle <B> 0. </B>. If then the conductor is extended up to two wavelengths, the directional characteristic will be that of FIG.

   This radiation diagram has a maximum radiation at an angle of 0, to the conductor 11 and two secondary mums 13, as shown. If, however, the conductor is made four wavelengths long, as shown in FIG. 4, the directional characteristic takes on a still different form; the maximum radiation (sheet 14) occurs at an angle 04 to the conductor 11.

   This angle 04 is considerably smaller than the angle OZ for the two wavelengths long Lei ter. At the same time there are also additional mums, which are designated by 15.

   In each of these different diagrams, the main beam is larger than the stipules when the wire length is longer, but this increase in relation to the stipules is not proportional to the increase in the length of the wire, since the excitation vibrations of the individual (imaginary) unit radiators do not have the phase shift relative to one another that is necessary for maximum directivity to have.

   Therefore, if a four wavelength (4A) long conductor would be divided into two two wavelengths long conductor and a sufficient phase shift between the. both parts would be produced, so that the radiated vibrations of the individual 2nd d-units add together at the angle 0, the radiation diagram 16 shown in FIG. 4 would be produced with the same transmitter power (only in one quadrant shown as a cross-section).

    



       Furthermore, it is clear that the radiated vibrations of the two wavelength-long elements that form the conductor 11 of FIG. 4 are also not in phase in the direction of 04. If they were in phase at the angle 04, then they would create a stronger field in that direction.

   If the phase position of the exciter oscillations is corrected so that the emitted oscillations protrude in the direction before 0; add exactly, the oscillations are also considerably increased at the angle O4, because it does not deviate very much from O2.



  In the drawings of FIGS. 2 to 4, the angles <B> 0, </B> 021 04 have not been shown in their actual size, but are drawn arbitrarily for reasons of illustration. The angle between the direction of maximum radiation and the conductor depends on the conductor length measured in wavelengths.

    This is set out in A Discussion of 1Viethods Employed in Calculations of Electromagnetic Fields of Radiating Conductors by A. Alford, pages 70 to 88 in Electrical Commiinications July 1936, published by International Standard Eleetric Corporation.



  The above statements can be understood even better with reference to FIG. In this figure, two wires A-B and C-D are shown arranged in a straight line. The wire A -B is fed into A and the main beam direction of its radiation runs at the angle 0 to a very distant point P. The wire C-D is fed from <I> D </I> via the phase shifter N.

   Let the length of the radiators AB and CD be equal to <I> L. </I> The radiation emanating from a point 3I2 on CD has a shorter path to the point P than the radiation emanating from a corresponding point i711 goes out on AB. This path difference is equal to L cos 0.



       On the other hand, if there were no phase shifter N between B and C, the oscillation that arrives in 1V12 would be in the phase behind the oscillation in 111, in the phase corresponding to the length of the path <I> L </ I > be back.

   The direct path AI @ P is always shorter than the path Jll.ll_Pl, namely shorter by the distance: L-L cos <I> O = L </I> (1.-cos O).



  The radiation emanating from 11 therefore arrives at P with a phase delay that is equal to that of the radiation emanating from l11
EMI0003.0009
       (1-eos O) is.



  This phase difference in P will generally be considerably less than 180, and it is therefore usually necessary to use the phase shifter N to cause the oscillations in C to lead in phase with respect to those in B. The previously common use of a folded transmission line to generate the required small phase lead of the oscillations in the conductor section C-D is disadvantageous for the reasons mentioned at the beginning. The invention makes it possible to overcome these disadvantages.

   It relates to a directional antenna arrangement in which at least one long, radiating conductor is divided into different sections by at least one phase shifter. According to the invention, the same is characterized in that the phase shifter consists of two reactance elements connected into the conductor and the conductor piece in between, the size of the reactances and the distance between the elements being dimensioned such that these elements are at least at the operating frequency are approximated in conjugate relation to one another.

   There is a conjugate relationship between the two reactance elements when the reflective effects of these elements cancel each other out on the aforementioned Leiterab. In the case of two reactance elements arranged across a transmission line, this conjugate relationship is explained in detail in U.S. Patent No. 2147807.



  6 to 9 of the accompanying drawings show four exemplary embodiments of the directional antenna arrangement according to the invention and FIGS. 10 and 11 structural details of the reactance elements used.



  In Fig. 6, two conductor sections A-B and C-D are shown, which are connected by a phase shifter, the capacitors from two Kon and the intermediate conductor piece of the electrical length u be available. Each of the capacitors C will produce a phase lead so that the total phase lead of the phase shifter will be twice as large as that caused by each capacitor alone.



  The dimensions of the phase shifter can be derived as follows: If the reactance k of each capacitor X = 1; Ccu, where C is the capacitance of the capacitor and (o = 2 ji <I> f </I> <I> (f </I> = operating frequency), then is the phase lead established by the two conjugate Capacitors is effected equal to 2 0, where
EMI0003.0045
    and Z, the wave resistance of the between. B and C. means the wire located opposite the ground.



  The wave reflected at B is compensated for by the wave reflected at C, if the distance between the capacitors, i.e. B-C, has an electrical length a = 90 ---- $. A prerequisite is that the amplitude of the wave reflected by a capacitor is small compared to the amplitude of the wave allowed through.



       -, 1Ian receives the following table:
EMI0003.0053
  
    <B> _V / Z. </B> <SEP> <I> u2Zo </I> <SEP> (D0 <SEP> 2 (D, <SEP> Q <SEP> 20
<tb> 0.1 <SEP> 0.05 <SEP> 2.8 <SEP> 5.6 <SEP> 1, l1. <SEP> 92.8
<tb> 0.2 <SEP> 0.10 <SEP> 5.7 <SEP> 11.4 <SEP> 1.22 <SEP> 95.7
<tb> 0.3 <SEP> 0, l5 <SEP> 8.5 <SEP> 1.7.0 <SEP> 1.35 <SEP> 98.5
<tb> 0.4 <SEP> 0.20 <SEP> 11.3 <SEP> 22.6 <SEP> 1.45 <SEP> 101.3
<tb> 0.5 <SEP> 0.25 <SEP> 1.4.0 <SEP> 28.0 <SEP> 1.64 <SEP> 104.0
<tb> 0.6 <SEP> 0.30 <SEP> 16.7 <SEP> 33.4 <SEP> 1.81 <SEP> 106.7
<tb> 0.7 <SEP> 0.35 <SEP> l.9.3 <SEP> 38.6 <SEP> l, 98 <SEP> 109.3
<tb> 0.8 <SEP> 0.40 <SEP> 21.8 <SEP> 43.6 <SEP> 2.19 <SEP> 111.8
<tb> 0.9 <SEP> 0.45 <SEP> 24.2 <SEP> 48.4 <SEP> 2.39 <SEP> l14.2
<tb> 1.0 <SEP> 0.50 <SEP> 26.5 <SEP> 53.0 <SEP> 2.63 <SEP> 116.5
<tb> 1.1 <SEP> 0.55 Between the capacitors,

   Standing waves arise on the conductor section B-C and in the table above, Q is the ripple ratio, that is, the ratio of the maximum voltage to the linear voltage of this standing wave.



  Although the conjugate relationship of the two series capacitors of the phase shifter can only be achieved for a certain frequency, operating frequencies which deviate only slightly will cause almost no interference as long as the phase lead is not too great.

   This is because the value of Q between the capacitors remains small for other values of the phase advance, so that even if the second capacitor nick is at the exact distance from the first, the phase shifter will practically not represent a point of reflection. If the antenna is to be used at several operating frequencies, it is only necessary to ensure that the phase lead is not made too large, so that the conjugate relationship is approximately maintained at the operating frequency used.



  In Fig. 7, an embodiment example of the invention is shown schematically, in which two radiating conductors of the type shown in Fig. 6 Darge is used. In Fig. 7, 70 represents a receiver or transmitter. The transmitter or receiver 70 is coupled via lines 71 to a V-antenna arrangement which has the conductor sections 72, 73, 74 in one antenna and the conductors 75, 76, 77 in the at the antenna.

   The conductor lengths 72 to 77 are preferably the same and are arranged at such an angle to one another that the desired radiation pattern has its maximum in a direction which points towards the opening of the V and is inclined at an angle to the horizontal that is close to it depends on the ground or other reflective surfaces. Between each of these conductor sections a phase shifter 78 of the type described is provided.

    Although each antenna is divided into three parts in the antenna arrangement shown in FIG. 7, the number of parts is of course arbitrary. While in the embodiment of FIG. 7 the angle between the radiating conductors is adapted to the desired characteristic, the phase shifters described can also be switched into existing V-antenna arrangements,

   in order to improve the radiation characteristics, although the opening angle of the V can usually no longer be adjusted according to the direction of the maximum radiation.



  The fact that such an improvement can be obtained can be seen in part from FIG. 4 and is more clearly shown in FIG. In Fig. 8, the antenna arrangement shown has two radiating portions 81 which form the conductors of a V-antenna arrangement. A phase shifter 82 of the type described with reference to FIG. 6 is provided between the arms 80 and 81. The radiation diagram of the ladder without phase shifter is shown by the solid curves 83 and 83 '. These radiation diagrams are shown without secondary maxima.

   The direction of the maximum field strength of the leaves forms an angle 04 with the radiating arms of the antenna. By adding the phase shifters, the field strengths are increased and the direction of the maximum field strength is changed, as shown at 84, 84 '. By adding the phase shifters, the maximum radiation direction of the radiators is changed from an angle 04 to an angle 0_, so that maximum radiation in the direction of the bisector of the opening angle V could be obtained by increasing this angle.

    As can be seen, however, the field strength is also increased in this direction if the opening angle is not changed. The radiation of the arrangement in the direction of the existing communication link is thus improved by the phase shifter alone.



  As a particular example, one can consider a planar V-antenna arrangement whose radiating conductors 6. A, are long and enclose an angle of 401. Such an arrangement results in a phase difference of approximately 65 between the oscillations of the conductors, which are thought to be composed of two elements, since
EMI0005.0001
    If the phase shifter is in the middle between each 3.

       n, lengths of each conductor are arranged, they should therefore result in a phase lead so that the phase difference becomes zero. Without the phase shifter, the radiation vibrations would add up with a phase difference of 65 ". The field strength in the desired direction is therefore proportional to the phase shifter
EMI0005.0009
    enlarged.

    Instead of a 65 "phase shift, the correction in the example given above can only be about 50", which results in almost as much gain without requiring such a large phase advance in a single phase shifter.



  At 10 MHz this would require a capacitor of approximately 26.5, u, uF. Such a capacitor is very small and can be constructed from a pair of capacitor plates less than 20 cm- 'which are spaced approximately one centimeter apart. Since the capacitor is very small and light, it can be conveniently carried by the tension insulators of the antenna conductors.



  It should be clear that the directional antenna arrangement need not only consist of two long antennas arranged in a V shape. These antennas can be arranged in any way. In Fig. 9 an arrangement is ge shows where a unidirectional radiation is achieved by using two pairs of antennas 80 and 81 which are at a suitable distance. Each antenna is divided into individual antenna elements by means of capacitor phase shifters 83.

   Although only two units are shown in FIG. 9, a plurality of units can of course also be provided in this arrangement. The antenna pairs can be excited by the source 85, as shown in FIG. Instead, one of the antenna pairs, such as. B. 81, are excited by radiation.



  Specific examples of capacitors suitable for the phase shifters are shown in FIGS. Fig. 10 shows. an insulator 50 which mechanically connects two conductor pieces 51 and 52. From the longitudinal shaft of the insulator, the capacitor, which is formed by two zylindriselie pots 53, 54, is carried. One pot 53 is clamped to the insulator 50 by means of a clamp 57 and is connected to the conductor piece 51 by means of a wire 55. The other pot 54 of the capacitor is connected to the conductor piece 52 by means of the wire 56. The capacitance of the capacitor can be changed by moving the pot 53 along the insulator 50.

   Lead washers 59 are provided between the brackets 57 and 58 and the insulator 50 so that the tension exerted on the insulator 55, 56 by the wire does not cause the insulator to break.



  Another capacitor design is shown in FIG. According to this exemplary embodiment, disks, which are designated by 70 and 71, are used instead of cylindrical condenser pots. These disks are preferably made of sheet metal and rolled up at the edges in order to increase the strength of the same and to prevent the disks from swinging, which would lead to a change in the capacitor value. The disks are adjustably clamped to the shaft of the insulator 50, similar to that shown in FIG.

   To adjust the capacitance of the capacitor, the distance between the plates can be changed by loosening screws and moving the plates.



  These capacitor shapes are particularly useful because they are light and can be easily attached.

 

Claims (1)

PATENTANSPRUCH: Richtantennenanordnung, bei welcher min destens ein langer, strahlender Leiter durch mindestens einen Phasenschieber in verschie dene Abschnitte unterteilt ist, dadurch ge kennzeichnet, dass der Phasenschieber aus zwei in den Leiter eingeschalteten Reaktanzelemen- ten und dem dazwischenliegenden Leiterstück besteht, wobei die Grösse der Reaktanzen und der Abstand der Elemente voneinander so bemessen sind, PATENT CLAIM: Directional antenna arrangement in which at least one long, radiating conductor is divided into various sections by at least one phase shifter, characterized in that the phase shifter consists of two reactance elements connected in the conductor and the conductor section in between, the size of the Reactances and the distance between the elements are dimensioned such that dass diese Elemente bei der Be triebsfrequenz mindestens angenähert in kon jugierter Beziehung zueinander stehen. UNTERANSPRÜCHE: 1. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass zwei strahlende Leiter V-förmig angeordnet sind und je durch mindestens einen Phasenschieber in verschie dene Abschnitte unterteilt sind. that these elements are at least approximately in a conjugated relationship to one another at the operating frequency. SUBClaims: 1. Arrangement according to claim, characterized in that two radiating conductors are arranged in a V-shape and are each divided into different sections by at least one phase shifter. 2. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass jedes Reaktanz- element einer Phasenvoreilung von $ erzeugt und dass die elektrische Länge des zwischen den beiden Reaktanzelementen liegenden Lei terstückes 90 -E-0 beträgt. 3. Anordnung nach Patentanspruch, da durch gekennzeichnet, dass jedes Reaktanz- element auf dem Längsschaft eines zwei Lei terstücke mechanisch verbindenden Isolators aufgebaut ist. 4. 2. Arrangement according to claim, characterized in that each reactance element generates a phase lead of $ and that the electrical length of the conductor piece lying between the two reactance elements is 90 -E-0. 3. Arrangement according to claim, characterized in that each reactance element is built on the longitudinal shaft of a two Lei terstücke mechanically connecting insulator. 4th Anordnung nach Unteranspruch 3, da durch gekennzeichnet, dass jedes Reaktanz- element durch einen Kondensator gebildet ist. 5. Anordnung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass auf dem Längs schaft des Isolators zwei koaxiale, ineinander- greifende Zylinder gegeneinander verschieb bar befestigt sind, die die Platten des Kon- densators bilden. Arrangement according to dependent claim 3, characterized in that each reactance element is formed by a capacitor. 5. Arrangement according to dependent claim 4, characterized in that two coaxial, intermeshing cylinders, which form the plates of the capacitor, are fastened so that they can be displaced relative to one another on the longitudinal shaft of the insulator. 6. Anordnung nach Unteranspruch 4, da durch gekennzeichnet, dass auf dem Längs schaft des Isolators zwei Scheiben mit einge rollten Rändern gegeneinander einstellbar be festigt sind, die die Platten des Kondensators bilden. 6. Arrangement according to dependent claim 4, characterized in that on the longitudinal shaft of the insulator two disks with rolled-in edges are fastened adjustable against each other, which form the plates of the capacitor.
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Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
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DE2423420A1 (en) * 1973-05-21 1974-12-12 Maurice Tacussel RADIO-ELECTRIC DIRECTIONAL ANTENNA

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DE2423420A1 (en) * 1973-05-21 1974-12-12 Maurice Tacussel RADIO-ELECTRIC DIRECTIONAL ANTENNA

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