DE2022882A1 - Elektrische Hohlraumantenne - Google Patents

Description

DIPL.-ING. KLAUS BEHN

DIPL.-PHYS. ROBERT MUNZHUBER 202^88 2

PATENTANWÄLTE 8 MÜNCHEN S3 WIDEN MAYERSTRASSE β

TEL. (OB11) asasso-aestsa

Unsere Zeichen: A 13470 /Do 11. Mai 1970

Eirma SAKOERS ASSOCIATES, INC., Daniel Webster Highway,

South,Nashua, New Hampshire, USA

Elektrische Hohlraumantenne

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antenne und, insbesondere, auf eine Hohlraumantenne, die eine verhältnismäßig geringe Größe-besitzt. Die grundsätzlichen Beschränkungen, denen eine kleine Hohlraumantenne im Betrieb ausgesetzt ist, sind bekannt. Wird eine Hohlraumantenne kleiner hergestellt, dann verringern sich Strahlungswirksamkeit und Bandbreite. Solche Beschränkungen, wie die bereits erwähnten, wirken sich höchst nachteilig aus, wenn die größte Dimension der Hohlraumantennenöffnung beträchtlich unter der Hälfte einer Wellenlänge im freien Raum der niedrigsten in Präge kommenden Frequenz liegt. .

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Pur diese kleinen Hohlraumantennen kann die Bandbreite ^; durch »Viderstandbelastung verbreitert werden. Jedoch vermindert diese Widerstandbelastung die Strahlungawirksamkeit etwa so, daß der Zuwachs durch den gleichen Faktor vermindert wird, wie sich die Bandbreite verbreitert. Das heißt, der Gesamt;.i ,tens ist das Ergebnis des unmittelbaren Zuwachses und der Strahlungswirkctemkeit«

Beispielsweise entspricht bei dem VHF-Bereich der Luftfahrt (118 bis 136 Megahertz) eine halbe Wellenlänge im freien Raum einer Öffnungsgröße in der Größenordnung von 1_S22 m„

Bs ist offensichtlich^ daB für di© m@ist©n flugzeuge ein Hohlraum, der eine öffnungsgröß® in der ßrößanordnung von 1 m besitzt, die Gestaltung eines Flugz@ugs beim Innen- oder Außeneinbau wesentlich beeinträchtigt» Wenn das bereits erwähnte Widerstandbelastungsverfahren angewendet wird, werden wenig leistungsfähige Hohlraumantennen in der Größenordnung von 0,5 m für das Ravigationsband (108 Mhz) in verhältnismäßig große Flugzeug© eingebaut. Solche Hohlraum» antennen mit Widerstandbelastung haben jedoch nicht nur einen geringen Wirkungsgrad, sondern sind auch bei der Anwendung in kleineren Flugzeugen störend»

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Es ist desahälb Aufgabe der Erfindung, eine verbesserte Hohlraumantenne zu schaffen.

Es ist eine weitere Aufgabe, eine neuartige Hohlraumantenne zu schaffen, deren Öffnungsgrößen ohne Widerstandbelastung wesentlich unter einer halben Wellenlänge liegen, die jedoch die elektrischen Eigenscnaften einer viel größeren Hohlraumantenne besitzt.

Eine weitere Aufgabe besteht darin, eine verbesserte Energiekopplungsvorrichtung zu schaffen.

Diese Aufgaben werden erfindungsgemäß durch eine Hohlraumantenne gelöst, die gekennzeichnet ist durch einen Hohlraum mit mindestens einer öffnung und durch eine innerhalb des Hohlraums angebrachte Bnergiekopplungsvorriehtung, wobei die Energiekopplungsvorrichtung aus einem elektrisch leitenden, sicö verjüngenden Teil mit einem dünnen.und einem breiten Ende, aus einer ersten elektrisch leitenden Platte, die benacnbart dem dünnen Ende des sich verjüngenden Teils angebracht ist, und aus einer Energiezuführleitung besteht, die getrennte Verbindungen zur Platte und zu de· dünnen * Ende des sich verjüngenden Teils haben.

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In einer Ausführungsform der Erfindung hat der sich verjüngende Teil die Form eines Konus, während er in einer anderen Ausführungsform eine mehrseitige Form besitzt. Vorzugsweise wird in beiden Fällen eine weitere elektrisch leitende Platte angebracht, die das breite Ende des Konus oder des mehrseitigen sich verjüngenden Teils überdeckte

Auf der Zeichnung sind Ausführungsformen der Erfindung beispielsweise dargestellt, und zwar zeigen:

Figur 1 eine perspektivische Ansicht einer eingebauten Hohlraumantenne,

Figur 2 eine Draufsicht einer Energiekopplungsvorrichtung, Figur 3 einen Schnitt entlang der Linie 3-3 von Figur 2, u. Figur 4 eine perspektivische Ansicht einer weiteren Energie— kopplungsvorrichtung.

Obwohl die Hohlraumantenne der Erfindung in jedem beliebigen Frequenzbereich verwendet werden kann, ist sie besonders für den VHF-Bereieh geeignet. Als Beispiel und der Vollständigkeit der Beschreibung halber, ist die Hohlraumantenne der Erfindung als eingebaute Antenne für das Nachrichtenwesen bei Flugzeugen dargestellt. Im iii_eemei_nen ¹^⁸⁸⁶¹¹

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tennen der Nachrichtenübermittlung in der Luftfahrt * über den Frequenzbereich von 118 bis 136 Megahertz arbeiten, ein Verhältnis der stehenden Spannungswellen von weniger als 2si1 haben, eine nominelle Verstärkung von O Dezibel zu besitzen, eine vertikale Polarisation aufweisen und ein allseitiges Abstrahlungsdiagramm in der Azimut-Ebene besitzen.

In der eingebauten Ausführungsform von Figur 1 ist in einem geeigneten Teil des Flugzeugs ein Hohlraum gebildet, etwa in der Seitenflosse 11, die nur zum Teil dargestellt ist. Der Hohlraum 10 hat zwei Seitenwände 12 und 13, eine Decke 14, sowie einen Boden 15. Jede Wand besteht aus einem geeigneten elektrisch leitenden Material, etwa Metall, z.B. Aluminium. Jede Wand kann einen geometrischen Umriß haben, wie dargestellt, um sich damit dem Umriß und der Konstruktion des Flugzeugs anzupassen. Der Hohlraum 10 besitzt außerdem 2 Öffnungen (oder Fenster), die sich an den gegenüberliegenden Seiten der Seitenflosse befinden und sind durch passende Radarkuppeln 16 und 17 überdeckt. Die Radarkuppeln 16 und 17 können aus jedem geeigneten elektromagnetisch durchlässigen Material, wie z.B. Fiberglas, bestehen und sind an der Seitenflosse 11 durch irgend ein geeignetes Befestigungsmittel, wie Schrauben oder Schraubenbolzen, befestigt (nicht dargestellt)· '· - 6 - .

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Die Radarkuppel 17 ist in Figur 1 von der Seitenflosse abgetrennt dargestellt um den Hohlraum 10 und eine Energiekopplungsvorrichtung 18 besser darzustellen^ welche sich innerhalb des Hohlraums 10 befindet, wenn sie montiert ist. Die Pfeile in der Figur 1 zeigen die jeweiligen Orte der Kopplungsvorrichtung 18 und der Radarkuppel 17 im Verhältnis zum Hohlraum 10 wenn sie eingebaut sind»

Die Kopplungsvorrichtung 18 besteht aus Stirn™ und Rückplattenteilen 19 und 2O₉ zwischen denen?· β in sich verjüngender bzw. nach außen erweiternder Teil 21 angebracht ist₉ der aus jedem beliebigen elektrisch leitenden Material bestehen kannρ wie Metall₉ S₀B₀ Messinge Aluminium^ Kupfer oder dergleichen® Der sich verjüngende Teil 21, der die Form eines Kegels haben kann, ist mit seinem weiteren Ende an der Stirnplatte 19 durch ein geeignetes Mittel, wie Z₀B₀ Lot- oder Sehweißverbindungen befestigt. Der Kegel 21 ist durch eine dielektrische Halterung 22 an der Rückplatte 20 so befestigt, daß die Spitze des Kegels, ζ®Β_β durch den Abstand, von der Rückplatte 20 isoliert ist, wie dies am besten aus Figur 3 hervorgeht» Die dialektische Halterung22 ist mit der Rückplatte 20 und dem Kegel 21 geeignet verbunden, etwa durch Bindemittel oder durch Befestigungselemente„ Die Rückplatte 20 ist in der Figur 1 teilweise weggebrochen um die Halterung 22 darstellen zu können₀

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Die Kopplungsvorrichtung 18 wird durch eine geeignete Zufuhrleitung gespeist, nämlich durch das Roaxial-Kabel 23· Das Kabel reicnt durch den Boden 15 des Hohlraums 10 nach unten hindurch bis zur Seitenflosse 11 und weiter zum nicht dargestellten Plugzeugrumpf, wo es mit einer nicht dargestellten übertragungs- bzw. Eaipfangsvorrichtung verbunden ist. Die Befestigung des Kabels 23 an der Kopplungsvorrichtung 18 ist am besten aus Figur .2 und 3 zu ersehen. Der Lei— ter24 ist durch Löten mit dem spitzen Ende des Kegels 21 M

verbunden und der äußere Leiter 25 ist mit der Rückplatte 20 verbunden. Obwohl die Anschlüsse des zentralen und des äußeren Leiters vertauscht werden kann, wird die dargestellte Reihenfolge, besonders als Blitzschutz, vorgezogen. Bei der Montage wird äie Kopplungsvorrichtung18 meistens in die Mitte des Hohlraums 10 eingebaut und wird dort durch ein geeignetes Mittel befestigt, vorzugsweise durch ein Material niedriger Dielektrizitätskonstante. So wird, z.B. in einer Darstellung einer tatsäcnlich ausgeführten rlohlraumantenne, die Kopplungsvorrichtung im Hohlraum 10 durch ein schaumartiges ' Material mit'niedriger Dielektrizitätskonstante gestützt· Auch in der montierten Form, ist die Radarkuppel, die 17 bedeckt, an der Seitenflosse 11 angebracht und zwar so, daß sie über die Hohlraumöffnung paßt und den Stützschaum sowie die Kopplungsvorrichtung 18 innerhalb des Hohlraums schützt·

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Aus Gründen der Impedanzanpassung wird ein Anpassungsstück 26, z.B. ein_Metallstreifen, zwischen die Rückplatte 20 der Kopplungsvorrichtung 18 und der Decke des Hohlraums 10 eingesetzte Das Anpassungsstück 26 läßt sich mit der Rückplatte 20 und der Hohlraumwand 14 durch jede beliebige elektrische Verbindungsmethode verbinden, wie z.B. durch eine Lot- oder Bolzenverbindung. Die Breite und Länge des Anpassungsstücks 26 ist vorzugsweise so bemessen, daß eine optimale Impedanzanpassung des Hohlraums 10 bezüglich der Kopplungsvorrichtung 18 und des Zufuhrkabels 23 erreicht wird. Obwohl das Anpaasungsstück 26 auch an anderen Stellen angebracht sein kann, z.B. zwischen Kegel 21 und Platte 20, ist es vorzugsweise an der dargestellten Stelle angebracht und dient dann nicht nur als eine mechanische Stütze sondern auch als ein Blitzschutz.

Die Kopplungsvorrichtung 18 überträgt Energie zwischen dem Hohlraum 10 und dem Zufuhrkabel 23. Es hat sich gezeigt, daß die Kopplungsvorrichtung 18 ohne weiteres zuläßt, daß die Öffnungen des Hohlraums 10 Dimensionen besitzen, die wesentlich kleiner als die Hälfte einer Wellenlänge im freien Raum bei der niedrigsten in Präge kommenden Frequenz sind, jedoch trotzdem die elektrischen Merkmale eines viel größeren Hohlraums erbringen. So, z.B., liegen bei einer erfindungsgemäßen

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Hohlraumantenne für ein VHF-Band der Nachrichtenübermittlung der Luftfahrt die Öffnungsgrößen bei ungefähr 0,3 α. * Das heißt, die Hohlraumwände 12, 13, 14 und 15 sind jede ungefähr 0,3 m lang, was einer Öffnungsgröße in der Größenordnung von T/10 einer Wellenlänge im freien Saum bei der niedrigsten in Frage kommenden Frequenz (118 Mhz) entspricht,, Die Azimut-Komponenten der Hohlraumantenne, die vertikal polarisiert wurde, liegen innerhlb 1 Dezibel mit Eundstrahlung, gemessen nach jeweils 2Mhz, von 118 bis 136 Mhz. Der Zuwachs, der so gemessen wurde, indem die Antenne mit " einem vertikal polarisierten Dipol verglichen wurde, variierte, von -2.0 bis 1,0 Dezibel bezüglich des Dipols. Der Antennenbereich, der für die Messung der Abstrahlung und des relativen Zuwachses verwendet wurde, war ein Bodenbereich von 30,5 m der für Messungen im VHF-Band kalibriert wurde. Das Stehwellenverhältnis betrug weniger als 2:1 durch das gesamte Frequenzband von 118 bis 136 Mhz.

Die konische Form des sich verri jungend en Teils 21 wird vor- ä gezogen, da sie leicht und zu geringer Fertigungskosten hergestellt werden kann. Doch können auch andere, sich verjüngende Formen verwendet werden. Zum Beispiel kann eine mehrseitige Form, wie die Vierseitige oder Pyramide 27» wie in Figur 4, verwendet werden. Die Platte 19 der konischen und pyramidischen Kopplungsvorrichtung soll nicht nur Symmetrie sondern auch eine Fläche schaffen, die mit der Öff-

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nungsflache im Einklang steht. Es sei darauf hingewiesen, daß die Hohlraumantenne auch dann arbeitet₉ wenn die Platte 19 entfernt wird.

Außerdem muß erwähnt werden, daß der Hohlraum 10 auch in anderen Teilen des Flugzeugs als in der Seitenflosse 11.angebracht werden kann. Tatsächlich läßt sich die Hohlraumantenne auch in anderen Vorrichtungen ₉ als eingebaut im Flugzeug, verwenden*

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Claims (11)

1. Patentansprüche:

   J Hohlraumantenne, gekennzeichnet durch einen Hohlraum (10) mit mindestens einer Öffnung und durch eine innerhlb des Hohlraums (1o) angebrachte Energiekopplungsvorrichtung (18), wobei die Kopplungsvorrichtung (18) aus einem elektrisch leitenden, sich verjüngenden Teil (21) mit einem dünnen und einem breiten Ende, aus einer ersten elektrisch leitenden Plitte (19), die benachbart dem dünnen Ende des sich ver- <( jungenden Teils (21) angebracht ist und aus einer Energiezufuhrleitung (23) bestent, die getrennte Verbindungen zur Hatte (19) und zu dem dünnen Ende des sich verjüngenden Teils (21) haben.
2. 2. Hohlraumantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daü die Kopplungsvorrichtung (18) eine zweite Platte (20) aufweist und daß das Ende des sich verjüngenden Teils (21) an dieser zweiten Platte (20) befestigt und durch diese liberieckt ist.
3. 3. Hohlraumantenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, da£ die Kopplungsvorrichtung (la) im wesentlichen in der Mitte des Hohlraums (10) angebracht ist.

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4. 4. Hohlraumantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet^ daß der Hohlraum (10) eine weitere Öffnung aufweist.
5. 5. Hohlraumantenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Kopplungsvorrichtung (18) im Innern des Hohlraums (10) so angebracht ist, daß die erste und die zweite Platte (19, 20) den Offnungen des Hohlraums (10) jeweils zugekehrt sind.
6. 6. Hohlraumantenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil (21) eine konische Außenfläche hat, wobei das dünne Ende der Spitze der konischen Fläche entspricht. · . -„..■
7. 7. Hohlraumantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet-» daß, der sich verjüngende Teil (21) eine mehrseitige Außenfläche besitzt, wobei das dünne Ende der Spitze der mehrseitigen Fläche entspricht.
8. 8. Hohlraumantenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, daß in der Seitenflosse eines Flugzeugs ein Hohlraum (10) gebildet ist und sich die Hohlraumöffnungen an den gegenüberliegenden Seiten der Seitenflosse befinden, so daß eich der Hohlraum (10) zwischen den Öffnungen und durch die Seitenflosse erstreckt.

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9. 9. Energiekopplungsvorrichtung gekennzeichnet durch einen " elektrisch leitenden, sich verjüngenden Teil mit einem dünnen und einem breiten Ende, durch eine erste, elektrisch leitende, daran angebrachte Platte, welche das breite Ende des sich verjüngenden Teils überdeckt, durch eine zweite, elektrisch leitende Platte und durch Befestigungselemente besteht, durch die die zweite Platte am dünnen Ende des sich verjüngenden Teils befestigt wird.
10. 10» Eine Verrichtung nach Anspruch 9_t dadurch gekennzeichnet, die Befestigungselemente die zweite Platte in einer Ebene im wesentlichen parallel zur Ebene der ersten Platte haltern, wobei das dünne Ende des sich verjüngenden Teils (21) einen ersten Anschluß und die zweite Platte einenzweiten Anschluß aufweist.
11. 11. Verrichtung nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der sich verjüngende Teil(21) eine konische Außenfläche besitzt, wobei das dünne Ende der Spitze der konischen Fläche entspricht* " · .

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