DE7524257U

DE7524257U - Diskonantenne

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Publication number: DE7524257U
Application number: DE7524257U
Authority: DE
Original assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS
Current assignee: LIGNES TELEGRAPHIQUES ET TELEPHONIQUES PARIS
Priority date: 1974-08-01
Filing date: 1975-07-30
Publication date: 1977-10-06
Also published as: DE2534079A1; JPS5166754A; FR2280985A1; FR2280985B1; US3987456A; GB1503558A

Description

■ Patentanwälte ^: ·

Dlpl.-Ing. Dipl.-Chem. Dipl.-Ing.

E. Prinz - Dr. G. Hauser - G. Leiser

Ernsbergerstrasse 19

8 München 60

G 75 24 257.8 10. Juni 1977

Lignes Telegraphiques ...

Un^er Zeichen: L 967x

Diskonantenne

Die Erfindung "bezieht sich auf eine Diskonantenne mit einem scheibenförmigen Antennenteil, das mit dem Innenleiter eines koaxialen Speisekabels verbunden ist und mit einem sich zu dem scheibenförmigen Antennenteil hin verjüngenden Mantelteil, das mehrere auf den Mantelflächen angeordnete Antennenleiter aufweist, die am einen Ende mit einem dem scheibenförmigen Antennenteil benachbarten, mit dem Außenleiter des Speisekabels verbundenen ringförmigen Abschlußteil und am anderen Ende mit einem ringförmigen Umfangsteil verbunden sind.

Bei Diskonantennen, die aus den US-Patentschriften 2 368 66! und 3 787 865 bekannt sind, ist das Mantelteil ein Konus aus massivem Blech.

In dem Aufsatz "A wide band discone antenna" von

V. Lakshminarayana, Yog Raj Kubba und Me Madhusudan in der amerikanischen Zeitschrift "Electro-Technology",

Lai/Gl

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März/April 1971, Seite 57, ist eine Scheibenkonus-Sendeantenne beschrieben, bei der die Blechwände durch hohle Leiter von einigen Millimetern Durchmesser ersetzt Bind. '

Aus der Zeitschrift "radio mentor", 1963, Heft 11, ; Seite 899, ist eine Diskonantenne der eingangs angegebenen Art bekannt, bei der die Antennenleiter Drähte ί sind, die zwischen dem Abschlußteil und dem ringförmigen j Umfangsteil straff gespannt sind. Diese Ausbildung er- : gibt einen erheblichen Raumbedarf, weil die Länge der drahtförmigen Antennenleiter, die durch die Betriebsfrequenz festgelegt ist, zugleich die Höhe des Mantelteils bestimmt.

Aufgabe der Erfindung ist die Schaffung einer breitbandigen Diskonantenne dieser Art, die für einen gegebenen Frequenzbereich einen beträchtlich kleineren Raumbedarf als die bekannten Diskonantennen erfordert.

Nach der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, daß das Mantelteil die Form eines Pyramidenstumpfes hat, dessen Mantelfläche aus gleichschenkeligen Trapezen besteht, und daß jeder Antennenleiter die Form eines gebrochenen Linienzuges hat, der in eines der gleichschenkeligen Trapeze eingeschrieben ist.

Bei der Diskonantenne nach der Erfindung ist die gestreckte Länge der Antennenleiter für die Betriebsfrequenz der Antenne maßgeblich. Infolge der geknickten Ausbildung der Antennenleiter ist aber die Höhe des Mantelteils wesentlich kleiner als diese gestreckte Länge, wodurch sich für einen vorgegebenen Betriabsfrequenzbereich ein

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kleiner Raumbedarf ergibt. Dennoch hat die Antenne eine gute Bandbreite, die in der Größenordnung einer Oktave liegt.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung wird an Hand der Zeichnung erläutert. 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

· —· A* U ·

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. 1d). 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 Scheitelwinke] 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 Wert

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60°, 70°, 80° und 90° hatte, haben gezeigt, daß in einem Frequenzbereich, der zwischen !30 und 170 % der unteren Frequenz des aandes und diesem Wert lag, die Impedanzanpassung der Antenne an den genormten Wert von 50 Olim leichter ist, wenn der Scheitelwinkel b größer als der Scheitelwinkel c ist.

Wenn beispielsweise der Scheitelwinkel c der Pyramide den Wert 60° 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 Abmessungen der Trapeze.

Wenn die Abmessungen des Trapezes 22 als gegeben angesehen werden, bestimmt die abgewickelte Länge des drahtförmigen Leiters 21 den Wert der Resonanzfrequenz des Strahlerelements,

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 f₁ ist die Resonanzfrequenz eines Drahtes der Länge L₁, die gleich der Höhe des Trapezes 22 ist, und der Wert f~ 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 ?,u, wenn die

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I # · · ♦ I

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 gewähr leistet ist, und die Resonanzfrequenz f₂ entspricht dann derjenigen einer Facette aus Blech.

Wie später noch erläutert wird, hat die Anmelderin eine Antenne für das Frequenzband zwischen 225 und 400 MHz hergestellt, welche die folgendon 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

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

	1	60	mm
1	70	80	mm
1	80	45	mm
1200	50	mm
	O
	O
1	mm
1	g

t	6	mm
S	390	mm
• «	12
• •	580	mm
• •	70	O
• •	390	mm

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	« · • · «« I « · «	• · · ι	< >	t	12	kg
	• t · ·	• « I	des	t	2
- Anzahl der	geradlinigen	Leiter
Mantels
- Gewicht

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 zaigt, daß die Strahlung richtwirkungsfrei ist.

Fig. 5 zeigt ein Strahlungsdiagranun 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 Drahtas

- Durchmesser der Scheibe 10

- Durchmesser der Basis des Mantels (Scheibe 24)

- Abgewickelte Länge der Leiter 21

- Scheitelwinkel der Pyramide

- Scheitelwinkel des Teils 25

- Höhe des Mantels

- Gewicht

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

t	1 mm
	160 mm
t	180 mm
s	850 mm
t	60°
:	90°
t	140 mm
t	140 g

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* «a β a • · a · β

• ι ι < t a

I a .j a a

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 1st 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 werden, 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 daisu, daß die Breite des Metallbe- . lags 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 werdens

- 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 werdenj

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- 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;

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

- Wahl 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 einein 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 Scheibe., die aus einem Ring mit zwei einander diametral gegenüberliegenden radialen Teilen

j besteht, die mit dem Innenleiter des Speisekabels ver-

\ bunden sind, wobei der Durchmesser der Scheibe gleich

ί 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

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-••10'

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.

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Claims

1. Diskonantenne mit einem seheitienförmigen Antennenteil, das mit dem Innenleiter eines koaxialen Speisekabels verbunden ist, und mit einem sich zu dem scheibenförmigen Antennen-I teil hin verjüngenden Mantelteil, das mehrere auf den Man-

I telflächen angeordnete Antennenleiter aufweist, die am

! einen Ende mit einem dem scheibenförmigen Antennenteil

f benachbarten, mit dem Außenleiter des Speisekabels ver-

ί bundenen ringförmigen Abschlußteil und am anderen Ende

mit einem ringförmigen Urafangsteil verbunden sind, dadurch gekennzeichnet, daß das Mantelteil (2) die Form eines Pyra- i midenstumpfes hat, dessen Mantelfläche aus gleichschenkeli-

I gen Trapezen (22) besteht, und daß jeder Antennenleiter (21)

■ die Form eines gebrochenen Linienzuges hat, der in eines

i der gleichschenkeligen Trapeze (22) eingeschrieben ist.

,ι 2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die

Winkel (2a) zwischen den aufeinanderfolgenden Segmenten jedes Antennenleiters (21) gleich groß sind.

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2 -

3..Antenne naoh Anspruoh 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenleiter (21) durch Metalldrähte gebildet sind, die in ein dielektrisches Material eingebettet sind.

4. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenleiter (21) durch gedruckte Leiterbahnen gebildet sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Mantelfläche des Pyramidenstumpfes aus sechs gleichschenkeligen !Trapezen besteht.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß das mit dem Außenleiter (4) des Speisekabels verbundene Abschlußteil (25) konisch ist und einen Scheitelwinkel (b) hat, der größer als der Scheitelwinkel (c) des Pyramidenstumpfes ist.

7. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das ringförmige Umfangsteil (24) die Form eines Kreisringes hat, der die Grundlinien der Trapeze des Pyramidenstumpfes tangiert.

8. Antenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß das scheibenförmige Antennenteil (1) aus einem ringförmigen Umfangsteil (10) und aus einem in der Mitte mit dem Innenleiter (3) des Speisekabels verbundenen Durchmesserteil (11) besteht.

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