DE1269203B

DE1269203B - Antennenanordnung, bestehend aus mindestens drei mit unterschiedlicher Phase gespeisten Strahlern

Info

Publication number: DE1269203B
Application number: DE19611269203
Authority: DE
Inventors: Claus Hoyer; Dipl-Ing Helmut Laub
Original assignee: Siemens Corp
Current assignee: Siemens Corp
Priority date: 1961-11-23
Filing date: 1961-11-23
Publication date: 1968-05-30

Description

BUNDESREPUBLIK DEUTSCHLAND

DEUTSCHES

PATENTAMT

AUSLEGESCHRIFT

Int. α.:

HOIq

Deutsche Kl.: 21 a4-46/01

Nummer:
Aktenzeichen:
Anmeldetag:
Auslegetag:

P 12 69 203.4-35
23. November 1961
30. Mai 1968

Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung zur Erzielung eines im Versorgungsbereich gleichmäßigen sektorförmigen oder kreisförmigen Strahlungsdiagramms unter Verwendung von mindestens drei mit unterschiedlicher Phase gespeisten und in der Grundanordnung gleiche Winkel zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließenden Strahlern, deren räumliche Anordnung so gewählt ist, daß bei einer bestimmten Frequenz in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen benachbarter Strahler eine gleichphasige Überlagerung der Strahlungen der einzelnen Strahler auftritt, und bei denen zwischen den Strahlern mindestens eines aus benachbarten Strahlern bestehenden Strahlerpaares bei einer Änderung der Frequenz eine Vergrößerung und zwischen den Strahlern mindestens eines anderen aus benachbarten Strahlern bestehenden Strahlerpaares bei der gleichen Frequenzänderung eine Verkleinerung der Differenz der Speisephasen eintritt.

Es ist bekannt mehrere Verbraucher mit unterschiedlichen Phasen derart zu speisen, daß an der Zusammenschaltstelle der zu den jeweiligen Verbrauchern führenden Leitungen die reflektierten Energieanteile sich in Richtung zur Energiequelle weitgehend gegenseitig aufheben. Durch diese Anordnung wird bei entsprechender Dimensionierung der zu den enzelnen Verbrauchern führenden Speiseleitungen somit eine Verbesserung der Anpassung an die gemeinsame Speiseleitung erreicht. ^

Bei Antennenanordnungen ergibt sich bei Speisung der Strahler in der geschilderten Weise der Nachteil, daß durch die mit unterschiedlicher Phase abgestrahlten Energieanteile eine Verzerrung des Strahlungsdiagramms auftritt.

Diese läßt sich in bekannter Weise dadurch kompensieren, daß die Strahler räumlich so angeordnet werden, daß längs der Winkelhalbierenden zwischen zwei benachbarten Strahlern eine gleichphasige Überlagerung der Strahlungen eintritt (deutsche Auslegeschrift 1024 587).

Bei Übertragung eines größeren Frequenzbandes treten bei derartigen Antennenanordnungen stärkere Einbrüche im Strahlungsdiagramm auf, die dadurch verursacht sind, daß die zur Erzeugung der unterschiedlichen Speisephasen dienenden Mittel, z. B. Kabel bestimmter Länge, jeweils nur bei einer Bezugsfrequenz, jedoch nicht mehr für andere Frequenzen, die gewünschten Phasen an den Einspeisungsstellen der Strahler ergeben und daß bei einer Frequenzänderung zwischen den Strahlern mindestens eines aus benachbarten Strahlern bestehenden Strah-Antennenanordnung, bestehend aus mindestens
drei mit unterschiedlicher Phase
gespeisten Strahlern

Anmelder:

Siemens Aktiengesellschaft, Berlin und München, 8000 München 2, Wittelsbacherplatz 2

Als Erfinder benannt:
Dipl.-Ing. Helmut Laub,
Claus Hoyer, 8000 München

lerpaares eine Vergrößerung, zwischen den Strahlern eines anderen solchen Strahlerpaares bei der gleichen Frequenzänderung jedoch eine Verkleinerung der

ao Differenz der Speisephasen eintritt.

Aufgabe der Erfindung, welche sich auf eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art bezieht, ist es, diese durch die oben angegebene Art der Abweichung von den Soll-Phasenunterschieden zwi-

s5 sehen zwei Strahlern bedingten Einbrüche im Strahlungsdiagramm zu verringern.

Gemäß der Erfindung wird dies dadurch erreicht, daß die Winkel zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen einander benachbarter Strahler durch Drehung der Hauptstrahlungsrichtung um den Strahlungsschwerpunkt derart variiert sind, daß Strahler, zwischen denen die Differenz der Speisephasen mit zunehmender Frequenz größer wird, einen größeren Winkel zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließen als diejenigen Strahler, zwischen denen die Differenz der Speisephasen mit zunehmender Frequenz abnimmt.

Durch die Erfindung lassen sich Strahlungsdiagramme erzielen, die über einen größeren Frequenzbereich geringere Schwankungen der Feldstärken aufweisen, wodurch bei konstanter Bandbreite eine kleinere Unrundheit der Strahlungsdiagramme erzielt werden kann, während bei gegebener Unrundheit der übertragbare Frequenzbereich größer wird.

Es sind zwar im Drehfeld gespeiste Antennenanordnungen bekannt, bei denen die an den Seiten eines quadratischen Mastes angeordneten Strahler alle um einen bestimmten, für jeden Strahler jedoch gleichen Winkel verdreht sind. Eine derartige Antennenanordnung ist hinsichtlich des übertragbaren Frequenzbereiches ebenfalls schmalbandig, weil die Winkel zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen der

809 557/161

3 4

einzelnen Strahler auch nach der Verdrehung stets der Strahler parallel zu den Seitenflächen des gleich sind und in ihrer Anordnung keine weitere Mastes 1 verlaufen. Bei Speisung im Drehfeld, wobei

Rücksichtnahme auf die Phasenverhältnisse im Sinne zwischen benachbarten Strahlern jeweils eine Phasen-

der Erfindung vorgenommen ist. differenz von 360/n° liegt, was mit η=4 jeweils 90°

Für Rundstrahlantennen, bei denen eine größere 5 ergibt, werden in bekannter Weise die Strahler raum-Anzahl η von Strahlern in einer Vieleckanordnung an Hch so aus der bei gleichphasiger Speisung angeweneinem Mast befestigt ist und die Soll-Phasendifferen- deten Mastseitenmittenlage verschoben, daß die zen zwischen den einzelnen Strahlern 360/n° betra- durch die phasenverschobene Speisung hervorgen, kann die Erfindung in der Weise angewandt wer- gerufenen Störungen im Strahlungsdiagramm aufden, daß benachbarte Strahler, zwischen denen die io gehoben werden. Bei der dargestellten Anordnung ist Phasendifferenz mit wachsender Frequenz zunimmt, hierbei eine Längsverschiebung (längs der Masteinen Winkel von mehr als 360/n° zwischen ihren sehen) von X_mf(4 γι) üblich. Die Wellenlänge X_m ent-Hauptstrahlungsrichtungen einschließen, während spricht dabei der Bezugsfrequenz f_m, für die die Diffe-Strahler, zwischen denen die Phasendifferenz mit zu- renz der Speisephasen zwischen benachbarten Strahnehmender Frequenz abnimmt, einen Winkel kleiner 15 lern genau 360/n° beträgt. Die angegebene Verschieals 360/n° zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtun- bung um X_m/(4 |/2) ergibt in der Richtung der Winkelgen einschließen. halbierenden zwischen den Hauptstrahlungsrichtun-

Bei Antennen, bei denen zwischen Strahlern gen benachbarter Strahler eine resultierende Verset-Phasenverschiebungen von 180° oder mehr vorkom- zung von XJA der Strahler gegeneinander, so daß sich men, wie dies bei im Drehfeld gespeisten Antennen- ao in dieser Richtung die Strahlungen gleichphasig Überanordnungen in der Regel der Fall ist, werden die lagern. Das auf diese Weise gewonnene Rundstrahl-Phasenverschiebungen von 180° zweckmäßig durch diagramm entspricht dem einer gleichphasig ge-Umpolen der Anschlußleitungen an einem der beiden speisten Strahleranordnung.

betroffenen Strahler erzeugt, während größere Werte Die Versetzung der einzelnen Strahler wird dabei als 180° durch Umpolen und zusätzliche Einschal- 25 auf die Strahlungsschwerpunkte der einzelnen Dipoltung eines Leitungsstückes entsprechender Länge felder bezogen. Der Strahlungsschwerpunkt kann für erzeugt werden. Durch diese Maßnahme läßt sich die Richtstrahler so ermittelt werden, daß im Bereich Gleichförmigkeit des Strahlungsdiagramms weiter der Hauptkeule der Mittelpunkt des Krümmungsverbessern, kreises für die Fläche konstanter Phase aufgesucht

In weiterer Ausgestaltung der Erfindung kann das 30 wird. Dieser Strahlungsschwerpunkt liegt bei den dar-

Strahlungsdiagramm dadurch zusätzlich breitbandig gestellten Antennenanordnungen zwischen den Strah-

gleichmäßiger gestaltet werden, daß die Grundanord- lern und der Reflektorwand und in der Mitte zwi-

nung der Strahler in der Weise variiert ist, daß der sehen den Strahlerhälften. Die Strahlungsschwer-

Abstand zwischen den Strahlungsschwerpunkten der punkte der dargestellten Strahler 2 bis 5 liegen für

einzelnen Strahler solcher aus benachbarten Strah- 35 den Fall der gleichphasigen Speisung an den Punkten

lern bestehenden Strahlerpaare, bei denen die Diffe- 6, Ί, 8 und 9 symmetrisch zur Mastachse, während

renz der Speisephasen mit steigender Frequenz zu- bei Drehfeldspeisung durch die zum Ausgleich der

nimmt, größer gewählt ist als der entsprechende Ab- unterschiedlichen Phasen vorgenommene räumliche

stand bei solchen Strahlerpaaren, bei denen die Diffe- Versetzung die Strahlungsschwerpunkte an den

renz der Speisephasen mit steigender Frequenz ab- 40 Punkten 10, 11, 12 und 13 liegen,

nimmt. Bei der Übertragung größerer Frequenzbereiche

Eine weitere Verbesserung im Sinne eines breit- treten bei dieser bekannten Art der Strahleranordnung

bandig gleichmäßigeren Strahlungsdiagramms kann Einbrüche im Strahlungsdiagramm auf, wobei für

ferner dadurch herbeigeführt werden, daß die unter einen Frequenzbereich von /=0,85 f_m bis /=l,18/_m

Annahme des Soll-Phasenunterschiedes der Speise- 45 (f_m = Bezugsfrequenz) die kleinsten Werte von

spannungen die gleichphasige Überlagerung der Teil- E/_Emax bei 0,5 liegen.

Strahlungen längs der Winkelhalbierenden ergebende Zum breitbandigen Ausgleich dieser Einbrüche

Frequenz höher ist als die Bezugsfrequenz f_m, bei der werden die Strahler 2 und 4 entgegen dem Umlauf-

der Soll-Phasenunterschied der Speisespannungen er- sinn der Drehfeldspeisung um den Winkel <x gedreht,

reicht wird. 50 Als Drehpunkte sind dabei die Strahlungsschwer-

Normalerweise ist die räumliche Anordnung der punkte 10 und 12 verwendet. Für die Speisung der

Strahler so gewählt, daß für die die Soll-Phasen- einzelnen Strahler ist dabei angenommen, daß dem

beziehung ergebende Bezugsfrequenz in der Richtung Strahler 2 die Phase 0°, dem Strahler 3 die Phase

der Winkelhalbierenden zwischen den Hauptstrah- 90°, dem Strahler 4 die Phase um 180° und dem

lungsrichtungen einander benachbarter Strahler eine 55 Strahler 5 die Phase 270° zugeordnet ist. Diese

gleichphasige Überlagerung der Strahlungen erfolgt. Phasenunterschiede werden zweckmäßigerweise so

Die Erfindung wird an Hand von Ausführungsbei- erzeugt, daß den Strahlern 2 und 4 Speisespielen und der F i g. 1 und 2, in denen Rundstrahl- kabel gleicher Länge zugeordnet sind, wobei der antennen für die Abstrahlung von Meter- und Dezi- Strahler 4 mit umgekehrter Polung angeschlossen ist. meterweilen dargestellt sind, näher erläutert. 60 Die Zuleitungen zu den Strahlern 3 und 5 sind um

Bei der Anordnung nach F i g. 1 sind an den Seiten XJA kürzer gewählt und die Speiseleitung zum

eines quadratischen Mastes 1 vier Strahler in Form Strahler 5 ist zusätzlich umgepolt. Bei wachsender

von Dipolfeldern 2, 3, 4 und 5 angeordnet, die aus Frequenz nehmen deshalb die Differenzen der Speise-

vor einer Reflektorwand angebrachten Ganzwellen- phasen zwischen den Strahlern 2 und 3 sowie 4 und 5

dipolen bestehen. Bei gleichphasiger Speisung der 65 zu, während sie zwischen den Strahlern 3 und 4 so-

einzelnen Strahler 2 bis 5 sind diese derart angeord- wie 5 und 2 abnehmen. Dementsprechend sind die

net, daß sie jeweils in der Mitte der Mastseite symme- Winkel zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen

trisch zur Mastachse liegen, wobei die Längsachsen durch Drehung um den Strahlungsschwerpunkt der-

art variiert, daß die Hauptstrahlungsrichtungen der erstgenannten Strahler einen größeren Winkel miteinander einschließen als die der zweiten Gruppe. Durch die um den Winkel α verdreht angeordneten Strahler 2 und 4 ergibt sich ein Rundstrahldiagramm, dessen maximale Einbrüche im Bereich von 0,85 f_m bis 1,18 f_m über dem WertEI_Emax~0,5 liegen, der sich ohne diese Drehung ergeben würde.

F i g. 2 zeigt eine zur Erzeugung eines Rundstrahldiagramms dienende Antennenanordnung, bei der an den Seiten eines quadratischen Mastes 20 die Strahler 21, 22, 23 und 24 angeordnet sind, die ähnlich wie bei F i g. 1 aus vor einer Reflektorwand angeordneten Ganzwellendipol mit dem Schlankheitsgrad 15 bestehen. Die Strahlungsschwerpunkte sind mit 25, 26, 27 und 28 bezeichnet, wobei angenommen ist, daß die Speisung der Strahler in der bei F i g. 1 beschriebenen Weise erfolgt und dem Strahler 21 die Phase 0°, dem Strahler 22 die Phase 90° usw. zugeordnet ist. Die Strahlerfelder 21 und 23 sind in der bei ao F i g. 1 beschriebenen Weise in ihrer Hauptstrahlungsrichtung um den Winkel <x gegen den Umlaufsinn des Drehfeldes verdreht, wodurch die im Zusammenhang mit F i g. 1 erläuterte Verbesserung des Strahlungsdiagramms auftritt.

Neben der Verdrehung dieser Strahler ist dabei die Verschiebung längs der Seitenflächen des Mastes 20 unterschiedlich gewählt.

Daraus ergeben sich unterschiedliche Abstände zwischen den Strahlungsschwerpunkten der Strahler, wobei der Abstand Cl₁ zwischen den Strahlungsschwerpunkten der Strahler 21 und 22 bzw. 23 und 24 einerseits und der Abstand d₂ zwischen den Strahlungsschwerpunkten der Strahler 22 und 23 bzw. 24 und 21 andererseits so gewählt ist, daß ^/^=1,15 beträgt. Die Wahl dieser unterschiedlichen Schwerpunktsabstände ist nach der Regel vorgenommen, daß die Grundanordnung der Strahler in der Weise variiert ist, daß der Abstand zwischen den Strahlungsschwerpunkten der einzelnen Strahler solcher Strah- lerpaare, bei denen die Differenz der Speisephasen mit steigender Frequenz zunimmt, größer gewählt ist als der entsprechende Abstand bei solchen Strahlerpaaren, bei denen die Differenz der Speisephasen mit steigender Frequenz abnimmt. Auf Grund der bei F i g. 1 beschriebenen Speisungsart der Strahler wird mit wachsender Frequenz die Phasendifferenz zwischen den Strahlern 21 und 22 sowie 23 und 24 größer, während die Phasendifferenz zwischen den Strahlern 22 und 23 sowie 24 und 21 kleiner wird.

Außerdem ist zur weiteren Verbesserung des Rundstrahlungsdiagramms die räumliche Versetzung der Strahlungsschwerpunkte längs der Mastseiten kleiner gewählt, als dies bei bekannten Anordnungen vorgesehen ist. Normalerweise wird die Versetzung so vorgenommen, daß sich in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Strahlern bei der die Soll-Phasenunterschiede ergebenden Bezugsfrequenz f_m die Strahlungen der einzelnen Strahler etwa gleichphasig überlagern. Dies erfordert beispielsweise bei quadratischen Masten und bei im Drehfeld mit 90° Phasendifferenz gespeisten Strahlern eine Verschiebung des einzelnen Strahlers längs der Mastseite um den Betrag von X_m/(4 ]/2), die in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen benachbarter Strahler zwischen diesen Strahlern insgesamt eine Versetzung von 0,25 X_m ergibt. Im vorliegenden Fall ist jedoch zur Erzielung eines breitbandig gleichmäßigeren Rundstrahlungsdiagramms die Versetzung nur zu 0,22 l_m vorgenommen. Anders ausgedrückt bedeutet dies, daß die Frequenz, auf welche die räumliche Versetzung der Strahlungsschwerpunkte bezogen wird, nicht die Bezugsfrequenz f_m, sondern eine größere Frequenz, nämlich etwa 1,14/_OT ist. Der Winkel α für die Verdrehung der Hauptstrahlungsrichtungen der Strahler und 23 beträgt 5°.

Das sich ergebende Strahlungsdiagramm ist für verschiedene Frequenzen in F i g. 2 dargestellt. Die ausgezogene Linie 29 zeigt den Verlauf der Feldstärke für die Frequenz 0,85 f_m, während die gestrichelte Kurve 30 den Verlauf für die Frequenz f_m und die strichpunktierte Kurve 31 den Verlauf für die Frequenzen /= 1,18 /„, angibt. Gegenüber einer im Drehfeld gespeisten und mit in bekannter Weise räumlich versetzten Strahlern arbeitenden Antennenanordnung, deren tiefste Einbrüche für den gleichen Frequenzbereich bis zu dem Wert E/_Emax=0,5 reichen, ergibt sich also eine wesentlich gleichmäßigere Feldstärkekurve.

Claims

Patentansprüche:

1. Antennenanordnung zur Erzielung eines im Versorgungsbereich gleichmäßigen sektorförmigen oder kreisförmigen Strahlungsdiagramms unter Verwendung von mindestens drei mit unterschiedlicher Phase gespeisten und in der Grundanordnung gleiche Winkel zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließenden Strahlern, deren räumliche Anordnung so gewählt ist, daß bei einer bestimmten Frequenz in Richtung der Winkelhalbierenden zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen benachbarter Strahler eine gleichphasige Überlagerung der Strahlungen der einzelnen Strahler auftritt, und bei denen zwischen den Strahlern mindestens eines aus benachbarten Strahlern bestehenden Strahlerpaares bei einer Änderung der Frequenz eine Vergrößerung und zwischen den Strahlern mindestens eines anderen aus benachbarten Strahlern bestehenden Strahlerpaares bei der gleichen Frequenzänderung eine Verkleinerung der Differenz der Speisephasen eintritt, dadurch gekennzeichnet, daß die Winkel zwischen den Hauptstrahlungsrichtungen einander benachbarter Strahler durch Drehung der Hauptstrahlungsrichtung um den Strahlungsschwerpunkt derart variiert sind, daß Strahler, zwischen denen die Differenz der Speisephasen mit zunehmender Frequenz größer wird (12/13; 14/15), einen größeren Winkel zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließen als diejenigen Strahler (13/14; 15/12), zwischen denen die Differenz der Speisephasen mit zunehmender Frequenz abnimmt.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, bestehend aus einer Anzahl von η im Drehfeld gespeisten Strahlern zur Erzeugung eines Rundstrahldiagramms, dadurch gekennzeichnet, daß benachbarte Strahler, zwischen denen die Phasendifferenz mit wachsender Frequenz zunimmt, einen Winkel von mehr als 360/n° zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließen, während Strahler, zwischen denen die Phasendifferenz mit zunehmender Frequenz abnimmt, einen Winkel kleiner als 360/n° zwischen ihren Hauptstrahlungsrichtungen einschließen.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Speisephasendifferenz von 180° zwischen einem Strahler und einem Bezugsstrahler mit der Phase φ = 0° die zu diesen Strahlern führenden Speiseleitungen gleich lang gewählt sind und eine dieser Leitungen umgepolt ist.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer Speisephasendifferenz von mehr als 180° zwisehen einem Strahler und einem Bezugsstrahler mit der Phase 93=0° eine der zugehörigen Speiseleitungen zur Erzielung einer Speisephasendifferenz von 180° umgepolt und die dann noch fehlende Phasenverschiebung durch die Wahl unterschiedlich langer Speiseleitungen eingestellt ist.

5. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundanordnung der Strahler in der ao Weise variiert ist, daß der Abstand zwischen den Strahlungsschwerpunkten der einzelnen Strahler solcher aus benachbarten Strahlern bestehenden Strahlenpaare, bei denen die Differenz der Speisephasen mit steigender Frequenz zunimmt, größer

gewählt ist als der entsprechende Abstand bei solchen Strahlerpaaren, bei denen die Differenz der Speisephasen mit steigender Frequenz abnimmt.

6. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die unter Annahme des Soll-Phasenunterschiedes der Speisespannungen die gleichphasige Überlagerung der Teilstrahlungen längs der Winkelhalbierenden ergebende Frequenz höher ist als die Bezugsfrequenz f_m, bei der der Soll-Phasenunterschied der Speisespannungen erreicht wird.

7. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an Stelle eines Einzelstrahlers Strahlergruppen (Einheitsfelder) vorgesehen sind.

In Betracht gezogene Druckschriften:

Deutsche Auslegeschriften Nr. 1020 692,
024 587;

USA.-Patentschriften Nr. 2 688 082, 2 691102;

Rohde & Schwarz-Mitteilungen, 1957, S. 93, und 1960, S. 317.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

809 557/161 5.68 O Bundesdruckerei Berlin