DE1167920B - Verfahren zur Erhoehung des Antennengewinnes von Oberflaechenwellenantennen und Oberflaechenwellenantennen zur Durchfuehrung des Verfahrens - Google Patents

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Internat. KL: H04d

Deutsche KL: 21 a4-46/03

Nummer: 1167 920

Aktenzeichen: K 40687IX d / 21 a4

Anmeldetag: 12. Mai 1960

Auslegetag: 16. April 1964

Die Erfindung bezieht sich auf ein Verfahren zur Erhöhung des Antennengewinnes von Oberflächenwellenantennen, bei welchen sich die Oberflächenwelle längs der Antenne mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die niedriger ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum, und auf Oberflächenwellenantennen zur Durchführung dieses Verfahrens.

Aufgabe der Erfindung ist es, ein Verfahren, das eine schärfere Bündelung und damit eine Erhöhung des Antennengewinnes gestattet, und diesem Verfahren entsprechende Oberflächenwellenantennen anzugeben.

Die Erfindung hat dabei den bekannten Gesichtspunkt zu berücksichtigen, daß der Gewinn von Oberflächenwellenantennen genannter Art außer von der Geschwindigkeit der Oberflächenwelle von der Antennenlänge abhängt, wobei für jede Länge eine optimale Oberflächenwellengeschwindigkeit existiert. Wird diese Geschwindigkeit nicht eingehalten, sinkt der Gewinn ab. Ferner hat die Erfindung zu berücksichtigen, daß bei optimaler Oberflächenwellengeschwindigkeit der Antennengewinn proportional zur effektiven Antennenlänge ist.

Gemäß der Erfindung werden Mittel vorgesehen, durch die mindestens ein Teil der Welle an beiden Enden der Antenne derart reflektiert wird, daß ein Teil der Welle die Antenne mindestens zweimal durchläuft und der überwiegende Teil der Energie an einem Ende der Antenne ausgestrahlt wird.

In Anwendung des erfindungsgemäßen Verfahrens ist eine Oberflächenwellenantenne dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende der Antenne, an welchem die Energie abgestrahlt wird, einem Reflektor benachbart ein gespeister Dipol angeordnet ist, und daß am gegenüberliegenden Ende der Antenne eine Reflektorfläche liegt, welche die auftreffende Oberflächenwelle reflektiert, so daß diese die Antenne ein zweites Mal in Gegenrichtung durchläuft.

In einer anderen Anwendung des Verfahrens ist eine Oberflächenwellenantenne dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende der Antenne, an welchem die Energie abgestrahlt wird, ein Reflektor angeordnet ist und daß an dem gegenüberliegenden Ende, an welchem die Einspeisung erfolgt, ein zweiter Reflektor liegt, so daß die Oberflächenwelle die Antenne zunächst in Richtung gegen den ersterwähnten Reflektor durchläuft, von diesem zum Teil gegen den zweiten Reflektor reflektiert und von diesem neuerdings in Richtung gegen das Abstrahlende der Antenne reflektiert wird.

Verfahren zur Erhöhung des Antennengewinnes von Oberflächenwellenantennen und
Oberflächenwellenantennen zur Durchführung
des Verfahrens

Anmelder:

Anton Kathrein, Älteste Spezialfabrik für
Antennen und Blitzschutzapparate,
Rosenheim (Obb.)

Als Erfinder benannt:

Dr. Hermann Ehrenspeck, Bellmont, Mass.

(V. St. A.)

Beanspruchte Priorität:

V. St. v. Amerika vom 14. Mai 1959 (812 565)

Die erfindungsgemäßen Mittel bewirken eine Vergrößerung der wirksamen Antennenlänge, wodurch sich die gewünschte Erhöhung des Antennengewinnes ergibt. Diese Gewinnerhöhung wird ohne erhebliche Änderung der Antenne und ohne Änderung ihrer mechanischen Länge erzielt.

Insbesondere kann man durch Anwendung der erfindungsgemäßen Mittel Antennen schaffen, die zur Erzielung eines bestimmten Gewinnes nur halb so lang oder noch kürzer sein können als entsprechende gewöhnliche Oberflächenwellenantennen. Ferner gelangt man durch Anwendung der erfindungsgemäßen Maßnahmen zu einem sehr hohen Verhältnis von Vorwärts- zu Rückwärtsstrahlung.

Auch kann man nach der Erfindung Oberflächenwellenantennen bauen, die bei vorgegebener Länge mindestens den doppelten Antennengewinn wie übliche Oberflächenwellenantennen haben. Weitere Vorteile der erfindungsgemäßen Antenne sind: die Erzielung einer scharfen Richtcharakteristik mit verkleinerten Seitenlappen; die Verwendbarkeit der Antenne sowohl für hohe als auch für niedrige Frequenzen; die Möglichkeit, eine solche Antenne in einen Körper einzubauen, derart, daß nur eine öffnung für das Heraustreten der Strahlung bleibt, und die Möglichkeit, diese Antenne aus laufend verfügbaren Materialien in Serienanfertigung zu niedrigeren Kosten herzustellen als andere Antennentypen mit dem gleichen Gewinn.

409 559/392

Die Erfindung wird in der nachfolgenden Beschreibung an Hand von Ausführungsbeispielen unter Hinweis auf die Figuren erläutert.

Fig. 1 zeigt das Schema einer üblichen Oberfiächenwellenantenne, einer Yagi-Antenne, sowie die Hauptkeule ihres Richtdiagramms;

F i g. 2 zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Oberflächenwellenantenne (im folgenden »Backfire-Antenne« genannt) sowie die Hauptkeule ihres Richtdiagramms;

F i g. 3 zeigt das Schema einer erfindungsgemäßen Oberflächenwellenantenne nach F i g. 2, eingebaut in einen Körper, aus dem keine Antennenteile herausragen;

F i g. 4 zeigt ein Schema einer erfindungsgemäßen Oberflächenwellenantenne mit mehrfacher Reflexion der Oberflächenwelle entlang der Antenne sowie die Hauptkeule ihres Richtdiagramms.

In F i g. 1 ist als Beispiel eine Yagi-Antenne gezeigt, die am einen Ende durch einen Dipol F angeregt wird und bei der sich die Energie von diesem Ende entlang der Reihe der Direktoren D zum entgegengesetzten Ende mit einer Phasengeschwindigkeit kleiner als der des Lichts ausbreitet. Außer einem vernachlässigbaren Anteil, der vom Dipol F direkt abgestrahlt wird, wird die Gesamtenergie aus einer virtuellen Apertur V (gestrichelte Linie) abgestrahlt, die am Ende der Yagi-Antenne liegt. Die »virtuelle Apertur« umfaßt definitionsgemäß eine Wellenfläche um das Abstrahlende der Yagi-Antenne herum soweit, als die Feldstärke nicht mehr als 20 db unter der direkt über den Antennenelementen meßbaren Feldstärke liegt. In den meisten Fällen ist ein linearer Reflektor R hinter der Dipolantenne angeordnet, wie in Fig. 1 gezeigt, um den Gewinn in der Hauptabstrahlrichtung der Antenne zu erhöhen. Die Energie läuft entlang der Antenne in der Pfeilrichtung und wird an deren Ende aus der virtuellen Apertur mit dem gezeigten Richtdiagramm abgestrahlt (Seitenlappen sind nicht eingezeichnet).

Die über die Antenne laufende Welle hat am Antennenende eine angenähert ebene Phasenfront, wenn die Antenne für optimalen Gewinn in der Vorwärtsrichtung abgestimmt ist. Erfindungsgemäß wird nun hier, wie in F i g. 2 schematisch dargestellt, ein ebener Reflektor M angeordnet, der die auftreffende Welle reflektiert und diese veranlaßt, ein zweites Mal über die Antenne an der Direktorenreihe entlangzulaufen, nunmehr in der Richtung zum gespeisten Dipol. Die in F i g. 1 gezeigte Antenne, die durch Anwendung des Erfindungsgedankens zu der in F i g. 2 gezeigten Antenne verändert wurde, weist nun einen Speisedipol F, einen Reflektor R und eine Reihe von Direktoren D auf und hat eine virtuelle Apertur V. Durch Anordnung des ebenen Reflektors M auf der Seite, die normalerweise das Ende der Antenne wäre, erscheint nun die neue virtuelle Apertur auf der Speiseseite der Antenne. Die Reflektoren R und M stehen dabei jeweils im üblichen Abstand vom benachbarten Direktor D, nämlich im Abstand von ungefähr einer Viertelwellenlänge. Der größte Teil der Energie läuft zunächst entlang der Antenne in Richtung der inneren Pfeile, nach der Reflexion in der entgegengesetzten Richtung, angezeigt durch die äußeren Pfeile, und wird dann in der neuen virtuellen Apertur nach einer zu der in F i g. 1 gezeigten entgegengesetzten Richtung mit höherem Gewinn und mit einer schärferen Hauptkeule abgestrahlt. Die Aufgabe des ebenen Reflektors M unterscheidet sich von der Aufgabe, die derartige Reflektoren gewöhnlich bei Linearantennen oder Oberflächenwellenantennen zu erfüllen haben. Im Falle einer Kombination eines Dipols und eines ebenen Reflektors entsteht Interferenz zwischen der direkt vom Dipol kommenden und der reflektierten Welle, die gewöhnlich den Gewinn in der Vorwärtsrichtung erhöht. Ebene Reflektoren wurden in Oberflächenwellenantennen auch

ίο schon verwendet, um Rückwärtsstrahlung zu unterdrücken. In diesem Falle ist aber die den Reflektor treffende Welle nicht die an der Antenne entlanglaufende Oberflächenwelle, da der Reflektor hinter dem Speisedipol angeordnet ist und deshalb nur die Rückwärtstrahlung dieses Dipols unterdrückt. In der erfindungsgemäßen Anordnung hat der Reflektor M eine ganz andere Aufgabe zu erfüllen, da in diesem Falle praktisch keine direkte Welle vorhanden ist, mit der die von ihm reflektierte Welle Interferenz bilden könnte, wie im Falle der Linearantenne, und der Reflektor M vielmehr, direkt im Wellenkanal der Oberflächenwelle liegend, die gesamte im Wellenkanal laufende Oberflächenwellenenergie reflektiert und sie veranlaßt, den Wellenkanal nochmals zu durchlaufen, wobei bei der endgültigen Abstrahlung ein erheblich erhöhter Gewinn erzielt wird. Dieser Gewinnanstieg kann damit erklärt werden, daß das zweimalige Laufen der Energie über die Gesamtlänge der Oberflächenwellenantenne die gleiche Wirkung hat wie eine Verdoppelung der Länge der Antenne.

Die in F i g. 2 schematisch gezeigte Antenne weist

demgemäß eine doppelte effektive Länge auf, und deshalb ist auch ihr Gewinn verdoppelt. Die schmalere Hauptkeule des Richtdiogramms mit einem günstigeren Verhältnis von Vorwärts- zu Rückwärtsstrahlung und verringerten Seitenlappen und die Vergrößerung der virtuellen Apertur verlangen allerdings eine neue Abstimmung der Direktoren D, passend für eine Oberflächenwellenantenne mit doppelter Länge. Es hat sich gezeigt, daß der lineare Reflektor R, der eine Reflexion der Energie in die Richtung des ebenen Reflektors M verursacht, das Feld der von M zurückkommenden Welle kaum stört. Der Reflektor M soll im allgemeinen eben sein und für die Erzielung des maximalen Gewinnes mindestens die Größe der virtuellen Apertur haben, so daß er die ganze im Wellenkanal laufende Energie für die Reflexion erfaßt. Es kann aber auch eine leicht gekrümmte Platte, angepaßt an die Phasenfront der Oberflächenwelle, verwendet werden. Der Reflektor M kann sowohl aus einer Metallfläche als auch aus Maschengitter oder aus genügend eng nebeneinander angeordneten Metallstäben hergestellt werden.

F i g. 3 zeigt ein Beispiel einer vollständig in einen Körper eingebauten Antenne nach F i g. 2. Hier wie bei allen Figuren haben gleichartige Elemente gleiche Bezeichnung. In dem Anwendungsbeispiel nach Fig. 3 sind die einzelnen Elemente auf einem Metallrohr T montiert, in dessen Bohrung auch die Zuführungsleitung für den isoliert angebrachten Speisedipol F liegt.

Die in F i g. 2 und 3 gezeigten Typen von Backfire-Antennen haben das Maximum ihres Strahlungsdiagramms in einer Richtung entgegengesetzt zu der für Oberflächenwellenantennen zu erwartenden Normalrichtung, haben eine verdoppelte effektive Länge und haben einen Gewinn, der um mindestens 3 db höher liegt, als er mit Oberflächenwellenantennen

der gleichen mechanischen Länge bei optimaler Abstimmung erzielt werden kann. Es läßt sich aber noch ein weiterer Gewinnanstieg erreichen, wenn durch eine Abänderung des Backflre-Prinzips die Verwendung von Vielf achreflexion auf der Antenne ausgenützt wird.

Die Wirkungsweise des Vielfachreflexions-Prinzips ist schematisch in Fig. 4 dargestellt. Ein Speisedipol F erregt eine Reihe von Direktoren D, an deren Ende ein partieller Reflektor R angeordnet ist, während sich hinter dem Speisedipol in kleinem Abstand von ihm ein ebener Reflektor M befindet. Diese Anordnung verändert das Prinzip der Backfire-Antenne dahin gehend, daß nur ein Teil der entlang der Antenne von dem Speisedipol zum anderen Ende der Antenne laufenden Energie von dem Reflektor R reflektiert wird, während der Rest in der normalen Hauptabstrahlrichtung der Antenne abgestrahlt wird. Genauso, wie bei der Antenne nach F i g. 2, läuft nun der reflektierte Teil der Energie ein zweites Mal über die Antenne, aber in umgekehrter Richtung, bis er auf den ebenen Reflektor M trifft. Für den Reflektor M in der Vielfach-Reflexionsantenne gilt das gleiche wie für den in ähnlicher Funktion verwendeten Reflektor M bei der Backfire-Antenne nach F i g. 2. Er muß ein ebener Reflektor sein und eine solche Größe haben, daß er soviel wie möglich von der ankommenden Oberflächenwellenenergie reflektiert. Für maximalen Gewinn soll er mindestens die Größe der virtuellen Apertur haben. Nach der Reflexion läuft die Welle ein drittes Mal über die Antenne, diesmal wieder in normaler Antennenrichtung. Nach Erreichen des Antennenendes, an dem sich der partielle Reflektor R befindet, wird die Welle wieder zum Teil aus der virtuellen Apertur abgestrahlt, der Rest wird, wie vorher, nochmals reflektiert. Dieser Vorgang wiederholt sich so lange, bis die gesamte Energie abgestrahlt ist. Die Erzielung des Höchstgewinnes von einer Vielfachreflexionsantenne mit einem ebenen Reflektor, der die Größe der virtuellen Apertur hat, verlangt die optimale Einstellung von zwei Parametern, des Reflexionsfaktors des partiellen Reflektors R am abstrahlenden Ende und der Phasengeschwindigkeit entlang der Antenne, die durch die Länge der einzelnen Direktoren D entsprechend der neuen effektiven Antennenlänge eingestellt werden kann.

Durch das Austauschen der Reflektoren M und R der Backfire-Antenne bei der Vielf achreflexionsantenne wird ein weiterer Gewinnanstieg über den Gewinn der Backfire-Antenne erzielt. Die Vielfachreflexionsantenne hat dazu die Vorteile, daß sie einfacher und billiger herstellbar ist und eine höhere mechanische Stabilität besitzt, da der Speisedipol auf der gleichen Seite wie der ebene Reflektor liegt.

Der partielle Reflektor R sowie der ebene Reflektor M können aus Metallplatten, metallisiertem Kunststoff, Drahtnetz oder aus nahe nebeneinander parallel oder radial angeordneten Metallstäben hergestellt werden. Zur Erzielung des maximalen Gewinnes wird die Länge der einzelnen Direktoren!) gegenüber dem Optimalwert verkleinert, der für maximalen Gewinn bei normaler Oberflächenwellenantennen eingestellt werden muß.

Das Prinzip der Vielfachreflexionsantenne kann auch auf die Backfire-Antenne angewandt werden, um deren Gewinn zu erhöhen. Zu diesem Zweck kann anstelle des linearen Reflektors R (Fig. 2) ein partieller Reflektor verwendet werden, der eine partielle Reflexion entlang der Antenne in Richtung auf den Reflektor M hin erzeugt.

Über die erwähnten Anwendungsbeispiele hinaus ließen sich eine große Anzahl weiterer Anwendungsbeispiele angeben. So ist das erfindungsgemäße Verfahren zur Erhöhung des Gewinnes aller Typen von Oberflächenwellenantennen anwendbar. Als Beispiele seien dielektrische Antennen und die Leitscheiben-Antennen erwähnt.

Claims (6)

Patentansprüche:

1. Verfahren zur Erhöhung des Antennengewinnes von Oberflächenwellenantennen, bei welchen sich die Oberflächenwellen längs der Antenne mit einer Geschwindigkeit fortpflanzt, die niedriger ist als die Fortpflanzungsgeschwindigkeit elektromagnetischer Wellen im Vakuum, dadurch gekennzeichnet, daß Mittel vorgesehen sind, durch die mindestens ein Teil der Welle an beiden Enden der Antenne derart reflektiert wird, daß ein Teil der Welle die Antenne mindestens zweimal durchläuft und der überwiegende Teil der Energie an einem Ende der Antenne ausgestrahlt wird.

2. Oberflächenwellenantenne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende der Antenne, an welchem die Energie abgestrahlt wird, einem Reflektor (R) benachbart, ein gespeister Dipol angeordnet ist und daß am gegenüberliegenden Ende der Antenne eine Reflektorfläche (M) liegt, welche die auftreffende Oberflächenwelle reflektiert, so daß diese die Antenne ein zweites Mal in Gegenrichtung durchläuft (Fig. 2).

3. Oberflächenwellenantenne zur Durchführung des Verfahrens nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß an dem Ende der Antenne, an welchem die Energie abgestrahlt wird, ein Reflektor (R) angeordnet ist und daß an dem gegenüberliegenden Ende, an welchem die Einspeisung erfolgt, ein zweiter Reflektor (M) hegt, so daß die Oberflächenwelle die Antenne zunächst in Richtung gegen den ersterwähnten Reflektor (R) durchläuft, von diesem zum Teil gegen den zweiten Reflektor (M) reflektiert und von diesem neuerdings in Richtung gegen das Abstrahlende der Antenne reflektiert wird (Fig. 4).

4. Oberflächenwellenantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Reflektorfläche (M) der Boden eines Gehäuses ist, welches die Antenne einschließt (Fig. 3).

5. Oberflächenwellenantenne nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Reflektoren ein Gitter ist.

6. Oberflächenwellenantenne nach Anspruch 2 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens einer der Reflektoren eine Platte ist.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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