DE2628755A1

DE2628755A1 - Directional antenna for signal transmission in open waveguides - has main radiation direction coinciding with that of open waveguide

Info

Publication number: DE2628755A1
Application number: DE19762628755
Authority: DE
Inventors: Pedro De La Fuente; Klaus Dipl Phys Kirsten
Original assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Current assignee: Licentia Patent Verwaltungs GmbH
Priority date: 1976-06-26
Filing date: 1976-06-26
Publication date: 1978-01-05

Abstract

Preferably stray current cables are used as open waveguides served by the directional antenna (1, 2). The latter receiving characteristic is of such design as to direct its main radiation in the direction of the main radiation of the opened waveguide. It has zero points or radiation minima for waves undesirable for axial propagation constants. Preferably the antenna consists of one or several pairs of elements, each pair having the above chationed receiving characteristic. The element pair may consists of identical elements, designed as mono- or dipoles. The elements may be formed by opening in an electrically conductive surface according to the Babinet principle.

Description

?vRichtantenne ? vDirectional antenna

Die Erfindung betrifft eine Richtantenne zur Übertragung von Informationen von und zu linienhaften offenen Wellenleitern, insbesondere Leckkabelnoder Wellenleitern mit I,eckkabelcharakter.The invention relates to a directional antenna for transmitting information from and to linear open waveguides, especially leaky cables or waveguides with I, corner cable character.

Es ist bekannt, daß die Energieverteilung parallel zu einem linienhaften offenen Wellenleiter, beispielsweise einem Schlitzkabel in Gestalt eines der gesamten Länge nach aufgeschlitzten Koaxialkabels oder einem leckkabel, d. h. einem Koaxialkabel mit längs des Kabels periodisch angeordneten <)ffnungen (vgl. Dr-AS 2 103 559 und DT-OS 2 230 280), durch die Interferenz mehrerer Wellen unterschiedlichen Ursprunges, z. B. mehrerer Wellen mit verschiedenen Ausbreitungskonstanten in richtung der Kabelachse, u. JJ. starken Schwankungen unterliegt, die sich auf die Übertragungseigenschaften des zugehörigen Funksystems negativ auswirken.It is known that the energy distribution is parallel to a linear one open waveguide, for example a split cable in the form of one of the whole Slit lengthways Coaxial cable or a leakage cable, d. H. a coaxial cable with openings periodically arranged along the cable (cf. Dr-AS 2 103 559 and DT-OS 2 230 280), due to the interference of several waves of different origins, e.g. B. several waves with different propagation constants in the direction of the cable axis, and JJ. subject to strong fluctuations, which are based on have a negative impact on the transmission properties of the associated radio system.

Bekanntermaßen läßt sich eine Glättung des Empfangspegels entlang eines Leckkabels unter Ausnutzung unterschiedlicher Ausbreitungsrichtungen bzw. Ausbreitungskonstanten der einzelnen Wellen dadurch erreichen, daß Horn- oder sonstige Richtantennen so orientiert werden, daß ihre Hauptstrahlrichtung der Ausbreitungsrichtung der energiereichsten Leckwelle entspricht. Da derartige Antennen aber in der Regel nicht unerhebliche mechanische Abmessungen aufweisen und außerdem die Ausbreitungsrichtungen der ieckwellen offener Koaxialkabel frequenzabhängig sind, so daß eine exakte Ausrichtung der Richtantenne bei einer anderen Frequenz nicht mehr optimal ist, sind sie insbesondere für breitbandige drahtlose Verkellrs-Nachrichten- und Steuersysteme wenig geeignet.As is known, the reception level can be smoothed along of a leaky cable using different directions of propagation or Achieve propagation constants of the individual waves that horn or other Directional antennas are oriented so that their main beam direction corresponds to the direction of propagation corresponds to the most energetic leaky wave. Since such antennas are usually have not inconsiderable mechanical dimensions and also the directions of propagation the corner waves of open coaxial cables are frequency-dependent, so that an exact alignment the directional antenna is no longer optimal at a different frequency, they are in particular unsuitable for broadband wireless communication and control systems.

Aus der DT-OS 2 104 241 ist zwar eine ichtantenne für eine Koppelung mit einem Leckkabel bekannt, die analog aufgebaut ist wie das Kabel selbst und deren Richtdiagramm sich daher in Abhängigkeit von der Frequenz entsprechend der jeweiligen Ausbreitungskonstanten der Wellen des Koaxialkabels ändert; aufgrund des Aufbaus dieser Richtantenne werden aber alle aus dem Kabel abgestrahlten Wellen von der Antenne empfangen, wobei sich die von den einzelnen Wellen herriihrenden Anteile hinsichtlich ihrer Phase und Amplitude komplex zu einem Gesamtsignal summieren, so daß sich bei einer Änderung des Abstandes zwischen Richtantenne und Kabel, was bei einem entlang des Kabels fahrenden, mit einer Richtantenne ausgestattetem Fahrzeug sehr leicht der Fall sein kann, wegen der unterschiedlichen Ausbreitungsrichtungen der einzelnen Wellen mit dem jeweiligen Empfangsort auch ihre Phasenlage unterschiedlich ändert und sich somit nachteiligerweise Abstandsänderungen als unerwünschte Änderungen der Amplitude des Empfangssignals in der Regel auswirken.From DT-OS 2 104 241 there is a non-antenna for coupling known with a leaky cable, which is constructed in the same way as the cable itself and its Directional diagram is therefore dependent on the frequency according to the respective Propagation constants of the waves of the coaxial cable changes; due to the structure this directional antenna but all waves radiated from the cable by the Antenna received, with the components deriving from the individual waves add a complex signal in terms of their phase and amplitude to form an overall signal, so that if the distance between the directional antenna and the cable changes, what in the case of a vehicle equipped with a directional antenna driving along the cable can very easily be the case because of the different directions of propagation of the individual waves with the respective receiving location also have their phase position different changes and thus disadvantageously changes in distance as undesirable changes affect the amplitude of the received signal.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Richtantenne der eingangs genannten Art zu schaffen, bei der auch bei einer Bewegung bzw. Verschiebung entlang eines leckkabels oder eines Wellenleiters mit Leckkabelcharakter der Pegel des Empfangssignals unabhängig vom jeweiligen Empfangsort stets möglichst konstant ist, wobei es aufgrund des Reziprozitätstheorems gleichgültig ist, ob der Energiefluß vom Kabel zur Richtantenne oder in umgekehrter Richtung erfolgt.The invention is based on the object of providing a directional antenna of the initially mentioned to create mentioned type, in the case of a movement or displacement along a leaky cable or a waveguide with a leaky cable character is the level of the received signal independent from the respective receiving location is always as constant as possible, whereby it is due to the reciprocity theorem It does not matter whether the energy flow from the cable to the directional antenna or vice versa Direction takes place.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Empfangscharakteristik der Richtantenne dergestalt ausgebildet ist, daß sie mit einer Hauptstrahlrichtung zumindest in etwa in Richtung einer Hauptstrahlrichtung des offenen Wellenleiters weist und daß sie für axiale Ausbreitungskonstanten unerwünschter Wellen Nullstellen oder Minima aufweist. Als axiale Ausbreitungskonstante k ist dabei die z Ausbreitungskonstante einer Welle außerhalb des Kabels in Kabellängsrichtung zu verstehen. Bei Leckwellen - d. h. bei Wellen mit ikz/ko/I wobei k die Ausbreitungskonstante gleichfrequenter ebener Wellen in Ausbreitungsrichtung im Vakuum ist - ist gemäß der Beziehung k = k c cosw jeder z 0 Ausbreitungskonstanten k ein Abstrahlwinkel ç zugeordnet z ( = Abstrahlwinkel bezogen auf die Ausbreitungsrichtung im Kabel). Ungestörte Oberflächenwellen (d. h. Wellen mit k /k >1) breiten sich dagegen stets parallel zum Kabel aus.According to the invention, this object is achieved in that the reception characteristics the directional antenna is designed in such a way that it has a main beam direction at least approximately in the direction of a main beam direction of the open waveguide and that they zero points for axial propagation constants of undesired waves or has minima. The axial propagation constant k is the z propagation constant to understand a wave outside the cable in the longitudinal direction of the cable. With leaky waves - d. H. for waves with ikz / ko / I where k is the constant of propagation with the same frequency plane waves in the direction of propagation in a vacuum is - is according to the relationship k = k c cosw each z 0 propagation constant k is assigned a radiation angle ç z (= Radiation angle based on the direction of propagation in the cable). Undisturbed surface waves (i.e. waves with k / k> 1), on the other hand, always propagate parallel to the cable.

Bringt man eine Antenne, gegebenenfalls eine Richtantenne, in die Nähe des Kabels, so koppelt diese Antenne trotz der erwähnten Ausbreitungseigenschaften von Oberflächenwellen auch aus Oberflächenwellen Energie aus, falls dieses nicht durch die Auslegung der Empfangscharakteristik der Antenne verhindert wird. Entsprechendes gilt natürlich auch für die unerwünschten Leckwellen.If you bring an antenna, possibly a directional antenna, into the Proximity of the cable, this antenna couples in spite of the mentioned propagation properties surface waves also produce energy from surface waves, if this is not the case is prevented by the design of the reception characteristics of the antenna. Corresponding Of course, this also applies to the undesired leaky waves.

Dabei besteht die Richtantenne aus einem oder mehreren Elementpaaren, wobei jedes Elementpaar für sich bereits die angegebene Empfangscharakteristik besitzt. Die Elementpaare sind aus gleichartigen Elementen aufgebaut, die vorzugsweise als Monopole oder Dipole ausgebildet sind. Entsprechend dem Babinetschen Prinzip sind die Elemente auch als Öffnungen in einer elektrisch leitenden Fläche darstellbar. Bei Verwendung eines Leckkabels als offener Wellenleiter sind die Elemente der Elementpaare jeweils in einem Abstand von P/2 oder einem Vielfachen davon zueinander angeordnet, wobei P die Periodenlänge der Folge der Öffnungen des Leckkabels bezeichnet. Die Elemente sind durch eine Zeitung miteinander verbunden, deren elektrische Länge gleich oder einem Vielfachen davon gewählt ist, wobei mit £r ff die r eff effektive relative Dielektrizitätskonstante im Leckkabel gemeint ist. Die von den Elementen eines jeden Elementpaares gelieferten Signale werden zusätzlich zur Phasendrehung durch die Leitung jeweils mit einer Phasendrehung von 1800 zu.sammengefaßt, wobei diese zusätzliche 180 Phasendrehung entweder passiv, z. 13. durch eine Überkreuzung der beiden Leiter der Leitung bzw. bei Verwendung symmetrischer Elemente und einer unsymmetrischen Leitung (z. fl. Koaxialleitung) durch gegensinnige lrmsymmetrierungs oder aktiv durch elektronische Mittel , beispielsweise einen Differenzverstärker, herbeigefiihrt ist.The directional antenna consists of one or more pairs of elements, each pair of elements already having the specified reception characteristics. The element pairs are made up of similar elements, which are preferably designed as monopoles or dipoles. According to Babinet's principle, the elements can also be represented as openings in an electrically conductive surface. When using a leaky cable as an open waveguide, the elements of the element pairs are each arranged at a distance of P / 2 or a multiple thereof from one another, where P denotes the period length of the sequence of openings in the leaky cable. The elements are connected to each other by a newspaper whose electrical length is the same or a multiple thereof, where £ r ff means the r eff effective relative dielectric constant in the leaky cable. The signals supplied by the elements of each pair of elements are in addition to the phase rotation through the line each zu.sammengefasst with a phase rotation of 1800, this additional 180 phase rotation either passively, e.g. 13. Is brought about by crossing the two conductors of the line or, when using symmetrical elements and an asymmetrical line (e.g. coaxial line), by opposing noise balancing or actively by electronic means, for example a differential amplifier.

I)er Erfindung liegt die Erkenntnis zugrunde, daß zur Glättung des Empfangspegels beim Fortbewegen einer Richtantenne entlang eines ieckkabels, unabhängig von der Frequenz nur eine der Leckwellen - möglichst diejenige mit der größten Amplitude - empfangen werden sollte, während der Empfang der restlichen interferierenden Wellen möglichst zu unterdrücken ist.I) he invention is based on the knowledge that to smooth the Reception level when moving a directional antenna along a corner cable, independent of the frequency only one of the leaky waves - if possible the one with the greatest amplitude - should be received while receiving the remaining interfering waves is to be suppressed as far as possible.

Dieses läßt sich dadurch erreichen, daß die Richtantenne aus mehreren Elementen aufgebaut wird dergestalt, daß die Empfangscharakteristik für die axiale Ausbreitungskonstante der erwiinschten Welle ein Maximum, fiir die axialen Ausbreitungskonstanten der unerwiinschten Wellen dagegen Nullstellen bzw.This can be achieved in that the directional antenna consists of several Elements is constructed in such a way that the reception characteristics for the axial Propagation constant of the desired wave a maximum, for the axial propagation constants of the undesired waves, on the other hand, zero or

Minima lufweist. Derartige Strahlungscharakteristiken kann man ohne weiteres mit guter Näherung mit hilfe bekannter Methoden der l)iagrammsynthese erzeugen (vgl. hierzu z. B. S.A.Minima airs. Such radiation characteristics can be achieved without Generate another with a good approximation with the help of known methods of l) diagram synthesis (see e.g. S.A.

3chelkunow "A Mathematical Theory of Linear Arrays", Welle System Technical Journal 22, 1943, Seiten 80 bis 107). Dabei lassen sich die Richtantennen auch so aufbauen, daß die Strahlungscharakteris tik sich mit der frequenz annähernd entsprechend der Ausbreitungskonstanten der Wellen des Leckkabels ändern, wodurch eine weitgehende Frequenzunabh.ingigkeit bei der Glättung des Empfangspegels erreicht wird.3chelkunow "A Mathematical Theory of Linear Arrays", Welle System Technical Journal 22, 1943, pages 80 to 107). Included can be build the directional antennas so that the radiation characteristics are tics with the frequency approximately corresponds to the propagation constant of the waves in the leaky cable change, which results in an extensive frequency independence when smoothing the reception level is achieved.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher erläutert.An embodiment of the invention is shown in the drawing and is explained in more detail below.

Ilie figur zeigt zwei Dipole 1 und 2 als gleichartige Elemente einer aus einem Elementpaar 1, 2 bestehenden Richtantenne sowie ein Leckkabel 3. Die Dipole 1 und 2 sind in einem Abstand von P/2 zueinander angeordnet, wobei mit P das Periodizitätsintervall der Schlitze des ieckkabels 3 bezeichnet ist, und über eine Zweidraht-Leitung 4 zusammengeschaltet, deren elektrische Länge gerade beträgt. Die relative effektive Dielektrizitätskonstante #r eff des Leckkabels läßt r eff sich aus der Geschwindigkeit der Welle irn Kabelinnern ermitteln.Ilie figure shows two dipoles 1 and 2 as similar elements of a directional antenna consisting of a pair of elements 1, 2 and a leaky cable 3. The dipoles 1 and 2 are arranged at a distance of P / 2 from one another, where P is the periodicity interval of the slots in the reverse cable 3, and interconnected via a two-wire line 4, the electrical length of which is straight amounts to. The relative effective dielectric constant #r eff of the leaky cable r eff can be determined from the speed of the wave inside the cable.

Zur Brzielung einer zusätzlichen i>hasendrehung von 1800 zwischen den Spannungen der Dipole 1 llnd 2 weisen die beiden bei ter der leitung 4 eine Uberkreuzung auf. Ein Sende-/Ewnpfangsgerät 5 wird je nach Ubertragungsrichtung als Sender oder Empfänger eingesetzt. Die ictantenne wird als Fahrzeugantenne auf ein sich entlang des Lackkabels fortbewegendes fahrzeug montiert.To achieve an additional turn of 1800 between the voltages of the dipoles 1 and 2 have the two at ter of the line 4 a Crossover on. A transmitting / receiving device 5 is depending on the direction of transmission used as a transmitter or receiver. The ictantenne is used as a vehicle antenna a vehicle moving along the lacquer cable is mounted.

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Claims

1> a t e n t a 11 s p r ii c h e xi. Directional antenna for transmission of information from and to open waveguides, especially leaky cables, thereby characterized in that the reception characteristics of the directional antenna (1, 2) are such is designed that it has a main beam direction at least approximately in the direction a main beam direction of the open waveguide (3) and that it is for axial Has propagation constants of unwanted waves zeros or minima (Fig.).

2. Directional antenna according to claim 1, characterized in that it consists of one or more pairs of elements (1, 2) and that each pair of elements (1, 2) has the reception characteristics specified in claim 1 for itself Fig.).

3. Directional antenna according to claim 2, characterized in that the Element pairs (1, 2) consist of similar elements (1 and 2) (Fig.).

4. Directional antenna according to claim 2 or 3, characterized in that the elements are designed as monopoles or dipoles (1 and 2) (Fig.).

5. Directional antenna according to one of claims 2 to 4, characterized in that that the elements (1 and 2) according to the Babinet principle as openings in an electrically conductive surface are shown (Fig.).

6. Directional antenna according to one of claims 2 to 5, characterized in that that when using a leak cable as an open waveguide, the elements (1 and 2) the element pairs (1, 2) each at a distance of P / 2 or a multiple of which are arranged to one another, where P is the period length of the sequence of openings of the leak cable (3) is designated (Fig.).

7. Directional antenna according to one of claims 2 to 6, characterized in that the individual elements (1 and 2) are connected by a line (4) and that the electrical length of this line is the same or a multiple thereof, where #r eff is the effective relative dielectric constant in the leaky cable (3) (Fig.).

8. Directional antenna according to one of claims 2 to 7, characterized in that that the signals supplied by the elements of each element pair are additional for phase rotation through the line, each folded with a phase rotation of 180 will.