DE1616300A1 - Dipolantenne fuer linear polarisierte Wellen - Google Patents

Dipolantenne fuer linear polarisierte Wellen

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DE1616300A1 DE19681616300 DE1616300A DE1616300A1 DE 1616300 A1 DE1616300 A1 DE 1616300A1 DE 19681616300 DE19681616300 DE 19681616300 DE 1616300 A DE1616300 A DE 1616300A DE 1616300 A1 DE1616300 A1 DE 1616300A1
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Description

ttPAIELH0LDn Patentverwertungs-und Elektro-Holding ÄG,Glarus (Schweiz) Dipolantenne für linear polarisierte Wellen
Die Erfindung betrifft eine Dipolantenne für linear polarisierte elektromagnetische Wellen mit einer Koaxialleitung, in deren Endabschnitt der Aussenleiter durch zwei diametral gegenüberliegende Längsschlitze in zwei Segmente unterteilt ist, wobei die Länge der Längsschlitze gleich der halben mittleren Betriebswellenlänge in diesen Endabsehnitt ist. ■-■"■"
In der Mikrowellentechnik werden Dipolantennen u.a. wegen ihres kleinen Gewinnfaktors bzw. ihrer geringen Richtwirkung in erster Linie als Primärstrahler bei Parabolantennen verwendet.
Bei einer bekannten,für diesen Zweck benutzten Dipolantenne mit zwei gegenüberliegenden Längsschlitzen im Aussenleiter der koaxialen Speiseleitung ist an Jedem der so gebildeten Segmente des Aussenleiters ein Dipolstummel angebracht. Zur Ankopplung der Dipolstummel ist der
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- Innenleiter der Koaxial-Speiseleitung in der Höhe der halben Schlitzlänge rechtwinklig an eines der Aussenleitersegmente geführt. Durch eine an der von der Einspeisung abgewandten Seite der Schlitze angeordnete Reflektorseheibe wird eine optimale Ausleuchtung des Parabolspiegels erreicht. Die symmetrische Ankopplung der Dipolstummel kommt bei dieser Anordnung angeblich durch die Wirkung der A/2 -Resonanz der beiden Leitersegmente zustande.
Eine derartige Antenne mit ausgeprägten Dipolstummeln eignet sich vorzugsweise für Frequenzen im Bereich von 1-4 GHz. Bei noch höheren Frequenzen von z.B. 6 - 8 GHz werden die Dipolstummel dermassen klein« dass« unter Berücksichtigung der Abmessungen der Speiseleitung, die für eine einwandfreie Funktionsweise der Antenne erforderliche Geometrie sich praktisch nicht mehr einhalten lässt.
Das Ziel der Erfindung ist eine vorzugsweise als Primärstrahler für Parabolantennen mit koaxialer Speiseleitung geeignete Dipolantenne, die trotz ihrer zur Betriebswellenlänge relativ grossen-Abmessungen in einem breiten Frequenzbereich gute Strahlungs- und Anpassungseigenschaften aufweist.
Die Dipolantenne gemäss der Erfindung ist gekennzeichnet durch Ankopplung des Innenleiters der Koaxialleitung mit dem einen Segment mittels einer induktiven Verbindung und mit dem zweiten Segment mittels einer kapazitiven Verbindung, wobei in der die Längsschlitze
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halbierenden Eopplungsebene für eine mittlere Betriebsfrequenz die wirksamen■Impedanzwerte dieser Verbindungen entgegengesetzt gleich erscheinen, und durch einen die Koaxialleitung mindestens über den Bereich der Längsschlitze umschliessenden Hohlleiter, der bei den Betriebsfrequenzen die Anregung einer TE-Welle zulässt.
Die Dipolantenne sowie ihre Wirkungsweise ist nachstehendanhand eines Ausführungsbeispieles eingehend erläutert»
Die Figuren la und Ib zeigen eine Dipolantenne im Längs- bzw. Querschnitt· Im Endabschnitt 1 einer koaxialen Speiseleitung 2 sind zwei diametral gegenüberliegende Längs schlitze ]5, 4 vorgesehen, die über ihre Länge-gleich einer halben mittleren Betriebswellenlänge ("-4p- ) den Aussenleiter5 in zwei Segmente 6,7 unterteilen. . Der Innenleiter 8 der Speiseleitung 2 ist in der die Längsschlitze halbierenden Querschnittsebene, die im weiteren als Kopplungsebene bezeichnet wird, über einen Steg 9 niit dem Segment 6 verbunden. Eine Kurzschlussscheibe 10, die den Endabschnitt 1 der Speiseleitung in einem v& - /8 der Schlitzlänge betragenden Abstand von der Kopplungsebene abschliesst, bildet mit dem Innenleiter 8 und dem Steg 9 ein zusammenhängendes Konstruktions teil .Auf den Segmenten ■6,7 sind Schrauben 11,12 als zusätzliche Kopplungselemente angebracht. .Die Schraube 11 dient überdies noch zur Befestigung des Steges 9 am Segment 6.
Eine Hülse 1$ ist über ein Gewinde l4 mit dem Aussenleiter 5 der
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Speiseleitung 2 verbunden und formt mit diesem einen Hohlleiter von ringförmigem Querschnitt, der an einem. Ende in der Höhe der Schlitzenden 15 durch den Boden 16 der Hülse 13,der als Kurzschlussscheibe wirkt, abgeschlossen ist. Die Hülse 13 ist durch ein Isolierrohr 17 verlängert, das in ein konisches Endstück 18 ausläuft, welches den Raum des Hohlleiters gegen den Aus seilleiter 5 absehliesst. In der Speiseleitung ist als zusätzliches Mittel zur Anpassung vor den einspeisungsseitigen Schlitzenden eine als
^/4 Transformator wirkende Abstufung 19 des Aussenleiters 5 vorgesehen.
Die Wirkungsweise der Dipolantenne sei nun anhand der Figuren 2 und 3.erläutert.
•Fig. 2a zeigt ein mögliches Ersatzschaltbild der Dipolantenne. Die am Eingang angedeutete koaxiale Speiseleitung bis einschliesslich
des tyh Transformators habe einen Innenwiderstand von der Grosse R,. Die beiden Segmente 6,7 (Pig. 1) des Aussenleiters 5 wirken wie eine Doppelleitung 20 (Fig. 2a), welche im Abstand einer halben Wellenlänge von der Einspeisungsebene kurzgeschlossen und deren Einzelleiter im Abstand einer Viertel-Wellenlänge von der Einspeisungsebene (Kopplungsebene) über eine Kopplungsinduktiv!tat L tizwi -kapazität C mit dem Innenleiter 8 verbunden sind.· Die Induktivität L und die Kapazität C sind so gewählt, dass ihre Impedarizwerte für eine mittlere Betriebsfrequenz entgegengesetzt gleich
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erscheinen und daher eine symmetrische Ankopplung der Speise- leltwag feke&-vo&-&*f an den·.-"Antennenlastwiderstand R« bewirken.
Diese Induktivität L bzw. Kapazität C könnte nun, in Abweichung von der Dipolantenne gemäss Fig* 1, durch einen Steg ähnlich dem Steg 9* bzw. durch eine an Stelle der Kopplungs schraube 12 in die koaxiale Speiseleitung hineinreichende Trimmschraube realisiert, werden. Eine solche Lösung wäre aber wesentlich ungünstiger als die Ausführung gem. Pig. 1, deren Vorteile,nun anhand dem gegenüber Fig. 2a verfeinerten Ersatzschaltbild gem. Fig. 2b verdeutlicht werden soll.
Dem Endabschnitt 1 der Speiseleitung 2, der in einem Abstand von 5/8 - 7/8 der Schlitzlänge (also von 5/l6 - 7/l6 der mittleren Koaxlalleitungs-Betriebswellenlänge . ^o } von der Kopplungsebene durch die Kurzschlüssscheibe 10 abgeschlossen ist, entspricht in Fig.2b die am Ende kurzgeschlossene Leitung 21. DerSteg9, der den Innenleiter 8 mit dem Segment 6 verbindet, wird im Ersatz^ schaltbild durch dieinduktivität L1 repräsentiert, Wie 3ich leicht zeigen lässt, bewirkt der in dem angegebenen Abstand von der Kopplungsebene abgeschlossene Endabschnitt 1 der Koaxial-Spelseleitung nun einerseits eine der Kapazität C nach Figv 2a entsprechende kapazitive Ankopplung des Segments 7 und andererseits eine Transformation der Induktivität L* des Steges 9 auf angenähert den doppelten Viert gleich der Induktivität L gemäss Fig.2a. Durch
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diese Anordnung wird also mit dem gleichen Steg 9, gegenüber der * erwähnten möglichen Variante einer kapazitiven Ankopplung mittels einer Trimmschraube, eine Verdopplung der wirksamen Induktivität und damit eine Vervierfachung der erreichbaren, für die Anpassung der Speise leitung an den Lastwiderstand der Antenne massgebliehen Impedanzübersetzung erzielt. Man erreicht dadurch, dass bei den in der Praxis benötigten Impedanzübersetzungen auch bei sehr hohen Betriebsfrequenzen der Querschnitt des Steges 9 genügend gross gemacht werden kann, um eine gute mechanische Stabilität der Anordnung zu gewährleisten.
Durch die symmetrische.Ankopplung der Segmente 6,7 wird in dem ringförmigen Hohlleiter, der durch den Mantel der Hülse 13 und den Aussenleiter 5 der Speiseleitung 2 gebildet wird, eine ΤΕ,,-Welle angeregt, deren Feld in der Kopplungsebene in Fig. 3a dargestellt ist» Wegen der kreiszylindrischen Begrenzungsflächen hat dieses Feld relativ starke, das ideale linear polarisierte Feld verzerrende Querkomponenten. Ausser der TE,,-Welle wird im Bereich der Schlitze 3*4 noch eine stehende TEM-Welle angeregt, deren Feld in der Kopplungsebene in Fig. 3b wiedergegeben 1st. Da die Querkomponenten des TE,,»Feldes und des TEM-Feldes in der Kopplungsebene die selbe Richtung haben, wird durch die lieberlagerung der Felder an dieser Stell« die Verzerrung der linear, polarisierten Welle noch vergrössert. Pa aber die Querschnittsabmessungen des Hohlleiters so gewählt sind, dass bei den vorkommenden Betriebsfrequenzen,nur die TE,,-Welle als Hohlleiter angeregt wird, während das Feld der stehenden TEM-Welle nur
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in stärk? gMölim^i&er Form längs" dem Hohlleiter· durchreicht, tritt bei einer/ ^hasejidrehurig der TE11-VIeIIe von l8O° eine optimale Kompensationjder^störenden Querfeldkomponenten des ΤΕ,^-Feldes ein. Di% Länge' A§n. JHülse. 13 ist so gewählt, dassder Abstand des offenen Endes; des Hohlleiters von der Kopplungsebene zumindest angenähert gleich der- halben Wellenlänge der TE,,rWelle wird. Die optimale ; Kompensation der Querkomponenten des TE^-Feldes wird also gerade in der abstrahlenden Oeffnung des Hohlleiters erreicht. Durch Variation der Breite der Längsschlitze 3,4 kann überdies die Stärke des Feldes der TEM-Welle so abgestimmt werden, dass.im offenen . Ende des Hohlleiters die Querfeldkomponenten derΤΕ,,-Welle fast vollständig kompensiert werden. Das auf die Weise im offenen Ende des Hohlleiters entzerrte Feld der ΤΕ,,^ν/elle ist in Fig. 3c dargestellt. Das Isolierrohr 17, welches den Hohlleiter an seinem offenen Ende verlängert, bewirkt eine partielle Verzögerung der abgestrahlten Wellen, so dass beim Austritt des elektromagnetischen Feldes aus dem Isolierrohr die elektrischen Feldlinien wenigstens teilweise tangential zur konischen Oberfläche seines Endstückes verlaufen. Versuche haben ergeben, dass die Länge des zylindrischen Teiles des Isolierrohres 17 vorteilhaft angenähert eine halbe Wellenlänge der abgestrahlten TE11-WeIIe beträgt, wobei das Isolierrohr 17 ungefähr über seine halbe Länge in den Hohlleiter eintaucht. Bei Verwendung der Antenne als Primärstrahler von Parabolantennen erreicht man durch dieses Isolierrohr 17 eine Vergrösserung der Divergenz der abgestrahlten Wellen unddamit eine gleichmässigere Ausleuchtung des Parabolspiegels. Der optimale Konuswinkel hängt
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von dem zu erzielenden Ausleuehtewinkel ab. Mit einem Konuswinkel von 30° erreicht man für die meisten praktischen Fälle gute Ergebnisse. Das Isolierrohr 17 wirkt ferner zumindest teilweise als Transformationsglied zwischen dem Wellenwiderstand des freien Raumes und dem Strahlungswiderstand des Hohlleiters 5 A3 sowie als Schutz dieser Antenne gegen atmosphärische Einflüsse.
Die Schrauben 11,12. dienen als Koppelstummel zur Anpassung des Hohlleiters an den durch die Mittel zur symmetrischen Ankopplung der Segmente 6,7 in Zusammenwirkung mit den Schlitzen 3*4 gebildeten Symmetriertransformator.
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Claims (7)

Pate η ta η s pr liehe.' '
1) Dipolantenne für'linear polarisierte elektromagnetische Wellen mit einer koaxialleitung,... in- deren Eridabschnitt der Aussenleiter · durch zwei diametral gegenüberliegende Längsschlitze/inziiei Seg- r mente unterteilt ist, wobei die Länge der Längsschlitze gleich der halben mittleren Betriebswellenlänge in diesem Endabschnitt ist, gekennzeichnet durch Ankopplung des Innenleiters (ß), der Koaxialleitung (2) mit dem einen Segment (6) mittels einer induktiven Verbindung und mit dem zweiten Segment (7) mittels einer kapazitiven Verbindung, wobei in der die, Längsschlitze (3,4) halbierenden Kopplungsebene für eine mittlere Betriebsfrequenz die wirksamen Impedanzwerte dieser Verbindungen entgegengesetzt gleich erscheinen, und durch einen die Koaxialleitung (2),mindestens über den Bereich der Längsschlitze (3*4) umschliessehden'Hohlleiter (5*13)* der bei der* Betriebsfrequenzen die Anregung einer $$-Welle zulässt.
2) Dipolantenne gemäss Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet*.dass der Hohlleiter (5*12) einen kreisringftirmigen „Querschnitt hat und die Anregung der TE^^-V/elle zulässt. ^ ' -
3) Dipolantenne gemäßε Anspruch 1» dadurch gekennzeichnet, dass der Hohlleiter (5A3) auf der einen Seite der Kopplungsebene offen und auf der anderen Seite kurzgeschlossen ist, wobei; di» Kurzßchlusßöbene (16) sich angenähert in der Höhe der Schlitzenden befindet» ; . . . :·' s
4) Dipolantenne gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass der Abstand des offenen Endes des Hohlleiters (5*15) von der Kopplungsebene für eine mittlere Betriebsfrequenz mindestens angenähert gleich der halben Wellenlänge der TE11-WeIIe ist·
5} Dipolantenne gemäss Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass das äussere Hohlleiterrohr (13) an seinem offenen Ende durch ein Isolierrohr (17) verlängert ist, welches in ein konisches Endstück (18) ausläuft.
6) Dipolantenne gemäss Anspruch lt dadurch gekennzeichnet, dass zur Ankopplung der Segmente (6,7) der·Innenleiter (8) der Koaxialleitung (2) in der Kopplungsebene durch einen Steg (9) mit dem einen Segment (6) verbunden ist und dass zur kapazitiven Verbindung des anderen Segments (7)* sowie zur Transformation der Induktivität des Steges (9) auf einen höheren Wert, das mit einer Kurzschlussscheibe (10) abgeschlossene Ende der Koaxialleitung (2) von, der Kopplungsebene einen Abstand von, 5/8 - 7/8 der Schlitziänge hat.
7) Dipolantenne gemäss Anspruch Ii dadurch gekennzeichnet, dass zur Anpassung des Hohlleiters an «Jen duroh die Mittel zur Ankopplung tfer Segmente (6,7) in Zusammenwirkung mit den Schlitzen (4,3) gebildeten Syminetrier transfer ma tor in der KOpp&tagsebehe auf der Aussensesite der Segaente (6,7) Koppelstumrnel (11,12) vorgesehen sind·
s AO.
Leerse if e
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