DE2534079A1

DE2534079A1 - Miniaturisierte breitband-antenne

Info

Publication number: DE2534079A1
Application number: DE19752534079
Authority: DE
Inventors: Jean Gelin
Original assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Current assignee: Lignes Telegraphiques et Telephoniques LTT SA
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1976-02-12
Also published as: US3987456A; DE7524257U; FR2280985A1; JPS5166754A; GB1503558A; FR2280985B1

Description

LIGNKS TELEGRAPHTQUES

ET TELEPH0NIQUE3

89, rue dc la Faisanderie

7J5O16 P^RIS. / Frankreich

Unser Zeichen: L 96 7

Miniaturisierte Breitband-Antenne

Die Erfindung betrifft eine miniaturisierte Breitband-Antenne, deren allgemeine Form an diejenige der sogenannten Scheibenkonus-Antennen angenähert ist/ wie sie in der US-PS 2 368 663 beschrieben sind. Die in dieser Patentschrift angegebenen Ausführungsbeispiele enthalten eine Scheibe und einen Konus aus massivem Blech.

In dem Aufsatz "A v/ide band discone antenna" von V. Lakshminarayana, Yog Raj Kubba und Me Madhusudan in der amerikanischen Zeitschrift "Electro-Technology", März/April 1971, Seite 57, ist eine Scheibenkonus-Sendeantenne beschrieben, bei der die Blechwände durch hohle Leiter von einigen Millimetern Durchmesser ersetzt sind. Es sind auch andere daraus abgeleitete Antennen in der technischen Literatur beschrieben. Bei diesen Antennen stehen die Länge der Mantellinien des Kegels und der Durchmesser der Scheibe in Beziehung zu der Wellenlänge im Betriebsfrequenzbereich.

50988

._ 2 —

253AU79

Das Ziel der Erfindung ist die Schaffung einer Antenne, die einen beträchtlich kleineren Raumbedarf als die zuvor angegebenen bekannten Antennen hat und eine relative Frequenzbandbreite von der Größenordnung einer Oktave aufweist.

Eine Antenne nach der Erfindung, die an ein Koaxialkabel angeschlossen ist, enthält die folgenden Bestandteile:

- einen ersten, kreisrunden Leiter;

- eine Gruppe von seitlichen Leitern, die entlang gebrochenen Linien derart gefaltet sind, daß die Knickpunkte der Linien auf den nicht parallelen Seiten von Trapezen liegen, die in den Seitenflächen eines Pyramidenstumpfes enthalten sind, wobei ein erstes Ende der seitlichen Leiter mit dein kreisförmigen ersten Leiter verbunden ist und die seitlichen Leiter sich an ihren zweiten Enden etwas aus der Ebene der Seitenflächen entfernen, um sich aneinander anzunähern;

- ein massives konisches Abschlußteil mit einer Mittelöffnung, das mit den zweiten Enden der seitlichen Leiter und mit dem Außenleiter des Koaxialkabels verbunden ist;

- einen zweiten kreisrunden Leiter, der mit zwei entlang einem Durchmesser angeordneten Leitern verbunden ist, die an den Innenleiter des Koaxialkabels angeschlossen sind.

Gemäß einer Ausführungsform der Erfindung sind die Leiter aus dünnem Draht hergestellt, und die mechanische Festigkeit der Antenne wird dadurch erhalten, daß die Metallstruktur in einen Polyurethanschaum eingebettet ist, der in einer Hülle aus Polyvinylchlorid enthalten ist.

Bei einer anderen Ausführungsform der Erfindung sind die Leiter in Form von gedruckten Schaltungen ausgebildet,

$09887/0422

wobei das Substrat jeder gedruckten Schaltung eine Seitenfläche eines Pyramidenstumpfes bildet und die Substrate an ihrem schmalen Ende eine Krümmung aufweisen.

Bei einer Ausführungsform der Erfindung ist ein kontinuierlicher metallischer Reflektor im Innern des pyramidenstumpf förmigen Teils der Antenne angeordnet.

Weitere Merkmale und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der folgenden Beschreibung eines Ausführungsbeispiels, das in der Zeichnung dargestellt ist. In der Zeichnung zeigen:

Figur 1a eine Schnittansicht einer Antenne nach der Erfindung,

Figur 1b, 1c, 1d, 1e verschiedene Teilansichten der Antenne von Fig. 1a?

Figur 2 die Kennlinie der Änderung der Resonanzfrequenz eines seitlichen Leiters in Abhängigkeit von seiner abgewickelten Länge,

Figur 3 ein Impedanzdiagramm der Antenne als Funktion der Frequenz,

Figur 4 ein Strahlungsdiagramm der Antenne in einer senkrecht zur Symmetrieebene der Antenne liegenden Ebene bei der Frequenz 300 MHz, und

Figur 5 ein Strahlungsdiagramm der Antenne in einer Meridianebene der Antenne bei der Frequenz 300 MHz.

Wie aus den Fig. 1a bis 1e zu erkennen ist, besteht die Antenne im wesentlichen aus zwei Teilen: Der erste Teil hat die Form einer oberen Scheibe 1, und der zweite Teil

609887/0 4 22

_ 4 —

2 B 3 U Π 7

die Form eines pyramidenförmigen Mantels 2. Der erste Teil ist mit dem Innenleiter 3 und der zweite Teil mit dem Außenleiter 4 eines Koaxial-Speisekabels verbunden. Die obere Scheibe 1, die in Fig. 1b in Draufsicht dargestellt ist, enthält eine leitende Struktur, die aus einem Umfangsteil 10 und einem Durchmesserteil 11 besteht, wobei der Innenleiter 3 mit dem Mittelpunkt des Durchmesserteils 11 elektrisch verbunden ist. Die Form des Mantels 2 ist in den Fig. 1c, 1d und 1e dargestellt, wobei Fig. 1c eine Seitenansicht einer der Facetten des Pyramidenstumpfes zeigt, Fig. 1d einen Axialschnitt und Fig. 1e eine Ansicht des unteren Endes des Mantels. Jede der Facetten des Mantels 2 ist, wie später noch genauer erläutert wird, durch eine annähernd ebene Fläche 22 in Form eines gleichschenkligen Trapezes gebildet (Fig. Ld). Bei dem dargestellten Beispiel sind sechs Facetten dieser Art vorhanden. Der leitende Teil jeder Facette ist durch einen drahtförmigen Leiter 21 gebildet, der entlang einer gebrochenen Linie gefaltet ist, deren Umkehrpunkte 23 auf den nicht parallelen Seiten der trapezförmigen Facette liegen. Wie aus der Darstellung zu erkennen ist, ist der Winkel zwischen zwei aneinanderstoßenden Segmenten konstant; er ist in Fig. 1c mit 2a bezeichnet. Der Kreis, der in das von den großen Grundlinien der sechs Facetten definierte Polygon eingeschrieben ist, hat einen Durchmesser, der dem Durchmesser des Umfangsteils 10 ähnlich ist. Ein kreisrunder Leiter 24 ist mit den unteren Enden der verschiedenen Leiter 21 verbunden. Die oberen Enden der Leiter 21 stehen in Kontakt mit einem massiven Abschlußteil 25 (Fig. 1d), das durch einen mit dem Mantel 4 des Koaxial-Speisekabels fest verbundenen konischen Bundring gebildet ist. Der Scheitelwinkel b des konischen Teils 25 kann von dem Scheitelwinkel c der Pyramide verschieden sein, wie in der Schnittansicht von Fig. 1d übertrieben dargestellt ist. Die Facetten 22 sind dann nicht vollkommen eben. Versuche, welche die Anmelderin mit konischen Abschlußteilen durchgeführt hat, deren Scheitelwinkel b den Viert

609887/0^22

ζ 2534U79

60°, 70°, 80° und 90° hatte, haben gezeigt, daß in einem Frequenzbereich, der zwischen 130 und 170 % der unteren Frequenz des Bandes und diesem Wert lag, die Impedanzanpassung der Antenne an den genormten Wert von 50 Ohm leichter ist, wenn der Scheitelwinkel b größer als der Scheitelwinkel c ist.

Wenn beispielsweise der Scheitelwinkel c der Pyramide den Wert 6O hat, wird ein optimales Ergebnis erhalten, wenn der Scheitelwinkel b des zugehörigen Kegels in der Nähe von 80° liegt.

Der Winkel c und der Durchmesser des in das Basis-Polygon des Mantels eingeschriebenen Kreises bestimmen dessen Höhe und die Jibmessungen der Trapeze.

Wenn die Abmessungen des Treipezes 2 2 als gegeben angesehen werden, bestimmt die abgewickelte Länge des drahtförmigen Leiters 21 den Wert der Resonanzfrequenz des Strahierelements»

Fig. 2 zeigt für eine Seitenfläche gegebener Abmessungen die Änderung der Resonanzfrequenz f in Abhängigkeit von der Länge L des Leiters 21. Bei den Messungen wird das Strahlerelement in der Mitte einer leitenden Ebene angeordnet, wobei die Höhe des Trapezes senkrecht zu der Ebene steht. Die Impedanz wird zwischen dem normalerweise mit dem Teil 25 verbundenen Ende des Drahtes und der leitenden Ebene gemessen.

Der Wert f.. ist die Resonanzfrequenz eines Drahtes der Länge L₁, die gleich der Höhe des Trapezes 22 ist, und der Wert £2 ist die Resonanzfrequenz eines Bleches, das den Umriß des Trapezes 22 der Höhe L₁ hat.

Wenn L von L₁ an zunimmt, nimmt die Resonanzfrequenz f zunächst ab, und sie nimmt dann wieder zu, wenn die

B09887/0422

zwischen den Faltwinkeln enthaltenen Segmente sich merklich einander nähern. Im Grenzfall, wenn die Länge L des Leiters 21 einen ausreichend großen Wert L₂ hat, liegen die Segemente so nahe beieinander, daß die elektrische
Kontinuität über die ganze Fläche des Trapezes gewährleistet ist, und die Resonanzfrequenz f„ entspricht dann derjenigen einer Facette aus Blech.

Wie später noch erläutert wird, hat die Anmelderin eine Antenne für das Frequenzband zwischen 22 5 und 400 MHz
hergestellt, welche die folgenden Kenngrößen hatte:

Durchmesser des für die Teile 10, 11, 21,
24 verwendeten Drahtes
Durchmesser der Scheibe 10
Durchmesser der Basis (Scheibe 24)
Abgewickelte Länge der Leiter 21
Scheitelwinkel c der Pyramide
Scheitelwinkel b des Teils 25
Höhe des Mantels
Gewicht

1 mm 170 mm 180 mm 1200 mm 60°
80°

145 mm 150 g

Fig. 3 zeigt das Impedanzdiagramm der zuvor angegebenen Antenne. Diese Figur zeigt, daß der Welligkeitsfaktor
im Betriebsband kleiner als zwei bleibt. Zum Vergleich
sei angegeben, daß eine Antenne für das gleiche Frequenzband, die nach dem Stand der Technik hergestellt worden ist (mit geradlinigen seitlichen Leitern) die folgenden mechanischen Eigenschaften aufweist:

Durchmesser der als Leiter verwendeten

Stäbe

Durchmesser der Scheibe Anzahl der Leiter der Scheibe Durchmesser der Basis des Mantels Scheitelwinkel des Mantels Höhe des Mantels

6 mm 390 mm

12
580 mm

70°
39O mm

609887/0422

- Anzahl der geradlinigen Leiter des

Mantels : 12

- Gewicht : 2 kg

Der Vergleich dieser Kennwerte mit denjenigen der zuvor beschriebenen erfindungsgemäßen Antenne läßt erkennen, daß diese ein 25 mal kleineres Volumen und ein 13 mal kleineres Gewicht aufweist.

Fig. 4 zeigt ein Strahlungsdiagramm der Antenne in einer senkrecht zu ihrer Symmetrieachse liegenden Ebene; dieses Diagramm zeigt, daß die Strahlung richtwirknngsfrei ist.

Fig. 5 zeigt ein Strahlungsdiagramm in einer Ebene, welche die Symmetrieachse enthält, wobei dieses Strahlungsdiagramm bei der Mittenfrequenz des Betriebsbandes des zuvor angegebenen Beispiels aufgenommen worden ist.

Eine abgeänderte Ausführungsform ist in der folgenden Tabelle angegeben:

- Durchmesser des als Leiter (10, 11, 21,

24) verwendeten Drahtes : 1 mm

- Durchmesser der Scheibe 10 : 160 mm

- Durchmesser der Basis des Mantels

(Scheibe 24)

Abgewickelte Länge der Leiter 21 Scheitelwinkel der Pyramide Scheitelwinkel des Teils 25 Höhe des Mantels

Gewicht

180 mm 850 mm 60'
90'

140 mm 140 g

Die elektrischen Kenngrößen dieses Ausführungsbeispiels liegen sehr nahe bei denjenigen des zuvor beschriebenen Ausführungsbeispiels, soweit das Strahlungsdiagramm betroffen ist. Dagegen läßt das Impedanzdiagramm bei der Frequenz 225 MHz eine geringfügig größeren Welligkeitsfaktor erkennen, der jedoch immer noch kleiner als zwei bleibt. 509887/0422

Zur Realisierung einer erfindungsgemäßen Antenne mit optimalen Impedanzwerten in dem zu erfassenden Frequenzband wird der Scheitelwinkel c der Pyramide vorzugsweise gleich 60° gewählt.

Die Verringerung des Raumbedarfs ist durch die praktische Anordnung der Segmente der Leiter 21 im oberen Teil des Mantels begrenzt. Es gilt nämlich folgendes:

- Bei der Verwendung eines Drahtes ist es nicht möglich, den Faltwinkel 2a von Fig. 1c konstant zu halten, wenn die Länge des Drahtes zu groß ist. Dieser Winkel kann jedoch geringfügig verkleinert v/erden, ohne daß die Eigenschaften der Antenne verschlechtert werden;

- im Fall der Verwendung eines in Form einer gedruckten Schaltung ausgebildeten Leiters führt eine zu große Länge des Leiters dazu, daß die Breite des Metallbelags zu stark verringert wird, was eine Verringerung des Querschnitts und eine Zunahme der Verluste mit sich bringt.

■»

Um die Parameter der Antenne festzulegen, muß in folgender Weise vorgegangen werden:

- Berechnung des Trapezes, dessen Abmessungen durch folgende Größen definiert sind: Den Scheitelwinkel c der Pyramide (60°), die Anzahl der Leiter des Mantels, den Durchmesser der großen Basis, der im wesentlichen gleich der Hälfte der Wellenlänge bei der unteren Grenzfrequenz des Durchlaßbandes ist, und einen Durchmesser am Scheitel, der mit dem Verfahren verträglich ist, das für den Anschluß der Leiter des Mantels mit dem oberen Teil des Speisekabels gewählt worden ist;

- Berechnung der Lage der Punkte, an denen die die Oberfläche des zuvor definierten Trapezes einnehmenden Leiter mit einem konstanten Winkel von 2a und mit unterschiedlichen Längen, die zwischen dem Vierfachen und dem Zehnfachen der Höhe des Trapezes liegen, gefaltet werden;

509887/0422

Ausbildung der entsprechenden Leiter, soweit ihre Länge die richtige Ausführung der Faltungen im oberen Teil des Trapezes ermöglicht;

Aufnahme der Resonanzfrequenz jedes Leiters, der in der Mitte einer Masseebene angeordnet ist, deren Abmessung wenigstens gleich einem Drittel der Wellenlänge bei der unteren Grenzfrequenz des Durchlaßbandes ist, wobei diese Aufnahme dadurch erfolgt, daß die Impedanz zwischen der Masseebene und dem normalerweise mit dem Scheitel des Mantels verbundenen Ende des Leiters gemessen wird;

Zeichnen der Kurve, welche die Änderung der Resonanzfrequenz f als Funktion der Länge L des Leiters darstellt (Fig. 2);

Wähl der Länge L, bei welcher f einen Wert von 75 % der unteren Grenzfrequenz des Durchlaßbandes hat, und Realisierung des vollständigen Mantels durch Verbindung der unteren Enden der Leiter mit einem kreisrunden Leiter, der ein Umfangsteil von geeignetem Durchmesser bildet; Verbinden des oberen Endes der Leiter des Mantels mit dem Außenleiter des Speisekabels über ein Teil mit einem Scheitelwinkel b von 80°. Wenn die Leiter aus Draht hergestellt werden, weist ihre Oberfläche in einer diametralen Ebene der Anordnung eine gewölbte Form auf. Wenn sie in Form von gedruckten Schaltungen hergestellt werden, ist die Höhe des Trapezes bei dessen Berechnung um 20 % verringert worden, und die Leiter werden mit dem oberen Teil der Pyramide durch geradlinige Drähte verbunden;

Herstellen einer Scheiben die aus einem Ring mit zwei einander diametral gegenüberliegenden radialen Teilen besteht, die mit dem Innenleiter des Speisekabels verbunden sind, wobei der Durchmesser der Scheibe gleich 95 % des kreisrunden Leiters beträgt, der an der Basis des Mantels angeordnet ist;

Abstimmen der Antenne durch Einstellen des Durchmessers der Scheibe und des Zwischenraums zwischen der Scheibe

509887/0422

und dem oberen Ende des Mantels.

Der Schutz der Antenne wird dadurch erhalten, daß sie in einen Polyurethanschaum eingebettet wird, wobei eine Hülle aus Polyvinylchlorid den äußeren mechanischen Schutz bewirkt.

Zu diesem Zweck wird die Antenne mit einem Stück eines starren Speisekabels ausgestattet, dessen Länge größer als die Höhe des Mantels ist. Dieses Speisekabel, das an seinem unteren Ende mit einem Koaxialstecker ausgestattet ist, wird mit dem kreisrunden Boden der zylindrischen Hülle aus Polyvinylchlorid fest verbunden. Man schüttet in das offene obere Ende dieser Hülle die flüssige Masse ein. Nach der Expansion und Stabilisierung wird der Schaum auf der Höhe des oberen Endes des Zylinders abgeschnitten, und die den oberen Teil der Hülle verschließende Scheibe wird angeklebt.

Das Gewicht einer nach diesem Verfahren geschützten Antenne beträgt 820 g, wenn ein Schaum mit einem spezifischen Gewicht von 28 g/dm und eine Hülle mit einer Wandstärke von 3 mm verwendet werden.

509887/0422

Claims

Patentansprüche

Miniaturisierte Breitband-Antenne mit einem ersten, scheibenförmigen Teil und einem zweiten, mantelförmigen Teil, die mit dem Innenleiter bzw. dem Außenleiter einer Koaxial-Speiseleitung verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Teil eine Leiterbahn aufweist, die durch ein Umfangsteil und durch ein Durchmesserteil gebildet ist, wobei der Innenleiter der Koaxial-Speiseleitung mit dem Mittelpunkt des Durchmesserteils verbunden ist, und daß der zweite, mantelförmige Teil eine Leiterbahn aufweist, die durch Strahlerelemente in Form von gebrochenen Linien, die in gleichschenkelige Trapeze eingeschrieben sind, die zusammen die Facetten eines Pyramidenstumpfes bilden, ein mit den einen Enden der Strahlerelemente verbundenes Umfangsteil und ein mit dem Mantel der Koaxial-Speiseleitung verbundenes und mit den anderen Enden der Strahlerelemente in Kontakt stehendes ringförmigesund konisches Abschlußteil gebildet ist.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch Metalldrähte gebildet sind, die in ein dielektrisches Material eingebettet sind.
3. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterbahnen durch gedruckte Leiter gebildet sind.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Mantel sechs Facetten aufweist.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Scheitelwinkel des konischen Abschlußteils dem Scheitelwinkel des von dem Mantel gebildeten Pyramidenstumpfes ähnlich und größer als dieser ist.

50 9 8 87/0422

- ¹² - ' 2 5 3 Λ η 7
6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das Umfangsteil der Leiterbahn des Mantels in das Basis-Polygon der vom Mantel gebildeten Pyramide eingeschrieben ist.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die abgewinkelte Länge der Strahlerelemente in Form einer gebrochenen Linie so gewählt ist, daß jedes Strahlerelement einen Kreis bildet, der auf eine Frequenz abgestimmt ist, die unter der niedrigsten Betriebsfrequenz liegt, wenn ihr eine metallische Reflektorebene zugeordnet ist, die dazu senkrecht steht.

09887/0422