DE2422031A1

DE2422031A1 - Drehfunkfeuerantenne

Info

Publication number: DE2422031A1
Application number: DE19742422031
Authority: DE
Inventors: Erich Dipl Ing Coors
Original assignee: Standard Elektrik Lorenz AG
Current assignee: Alcatel Lucent Deutschland AG
Priority date: 1974-05-07
Filing date: 1974-05-07
Publication date: 1975-11-13
Also published as: IT1037867B; FR2270691A1; DE2422031B2; GB1505375A; FR2270691B3

Description

STANDARD ELEKTRIK LORENZ

AKTIENGESELLSCHAFT

STUTTGART

E-. Coors-2

Drehfunkfeuerantenne

Stand der Technik:

Eine Drehfunkfeuerantenne zur Erzeugung eines rotierenden, in der Horizontalebene kardioidenförmigen Richtdiagramms mit vier mehrfach gespeisten Strahlerelementen, von denen Trägerenergie in Form eines Runddiagramms und Seitenbandenergie in Form von zwei orthogonal zueinander stehenden Doppelkreisdiagrammen abgestrahlt wird, wobei die Seitenbandenergie über ein Goniometer zugeführt wird, ist mit einem mechanisch angetriebenen Goniometer, aus der US-PS 2 713 I63 und mit einem elektronischen Goniometer aus der DT-PS 1 591 628 bekannt.

In dem Artikel "A Versatile Multiport Biconical Antenna¹.¹ Proc.IRE, Oktober 1957, Seiten 1374-1383, ist eine Antenne beschrieben, die die Form eines rotationssymmetrischen Horns hat. Bei dieser Antenne geht der Innenleiter der Speiseleitung in das Oberteil und der Außenleiter der Speiseleitung' in das Unterteil des rotationssymmetrischen Korns über.

Sm/Scho
30.4.1974

509846/0617

E.Coors-2

Aufgabe:

Es ist die Aufgabe der in den Ansprüchen angegebenen Erfindung, eine robuste und leicht transportable Antenne für ein Funkfeuer zur Erzeugung eines rotierenden, in der Horizontalebene kardioidenförmigen Strahlungsdiagramms zu schaffen.

Vorteile:

Die erfindungsgemäße Antenne, die eine Kombination einer rotationssymmetrischen Hornantenne mit Erregern in Form von mehrfach gespeisten Strahlerelementen ist, läßt sich sehr breitbandig auslegen, z.B. für das ganze TACAN-Frequenzband. Die Halbwertsbreite der Doppelkreisdiagramme bleibt innerhalb des Frequenzbandes annähernd konstant. Weiterhin kann durch den Grad der Kopplung zwischen Strahlerelementen und Direktoren die Halbwertsbreite der Doppelkreisdiagramme in der Horizontalebene so festgelegt werden ("^-i^b^O ), daß der von den Phasenfehlern in den· Richtdiagrammen herrührende Funkbeschickungsfehler kompensiert wird. Durch die Hornstruktur kann das Richtdiagramm in der Vertikalebene bestimmt werden. Die Antenne ist zur Abstrahlung des mit 15 Hz umlaufenden TACAN-Grobdiagramms geeignet, das insbesondere bei SETAC-Landesystemen zur Sektorfindung benötigt wird.

Beschreibung der Erfindung:

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielsweise näher erläutert. Es zeigen:

Fig.l eine perspektivische Darstellung der Antenne; Fig.2 die Horizontaldiagramme der einzelnen Komponenten;

509846/061 7

E.Coors-2

Fig.3a den relativen Fehler in der Funkbeschickung, verursacht durch azimutabhängige Phasenfehler in den Richtdiagrammen;

Fig.3b den relativen Fehler in der Funkbeschickung, verursacht durch von den idealen Werten abweichende Halbwertsbreiten;

Fig.3c den verbleibenden Fehler bei überlagerung der ' ■ Fehler nach Fig.3a und Fig.3b;

Fig.¹! die Vertikaldiagramme der Antenne im freien Raum.

Es wird zunächst der mechanische Aufbau der Antenne beschrieben. Die Antenne besteht hauptsächlich aus zwei mit den Unterseiten gegenüberliegenden, waagrecht angeordneten, elektrisch leitenden, tellerförmigen Gebilden 1 und Ihre gemeinsame Achse ist mit 3 bezeichnet. Die tellerförmigen Gebilde 1 und 2 haben je einen Rand h bzw. 5, ein Mittelteil β bzw. 7 und einen Boden 8 bzw. 9· An der Unterseite des oberen tellerförmigen Gebildes 1 . ist eine leitende .Platte 10 angebracht. Zur mechanischen Verbindung der beiden tellerförmigen Gebilde 1 und 2 dienen vier elektrisch leitende Außenstäbe 11 und ein Mittelstab 12. Die Außenstäbe 11 wirken außerdem als Direktoren und werden daher im folgenden so genannt. Die Stäbe sind einerseits mit der Unterseite der Platte und andererseits mit dem Boden 8 leitend verbunden. Die Mittelteile 6 und 7 bzw. die Böden 8 und 9 sind bei dem oberen tellerförmigen Gebilde 1 und bei dem unteren tel- ' lerförmigen Gebilde 2 gleich groß. Der Rand H ist schmäler als der Rand 5. Der Durchmesser der Platte 10 ist größer

5098 4-6/0617

E.Coors-2

als der Durchmesser des Bodens 8.

An der Unterseite des unteren tellerförmigen Gebildes 2 sind zwei elektrisch leitende Hohlzylinder 13 und-14 konzentrisch zu der Achse 3 angebracht. Der Durchmesser des ersten Hohlzylinders 13 ist kleiner als der Außendurchmesser des Randes 5· Seine Höhe beträgt etwa ein Viertel der Betriebswellenlänge. Er ist an der Unterseite des Randes 5 befestigt. Der Durchmesser des zweiten Hohlzylinders I¹J ist gleich dem Außendurchmesser des Randes 5· Seine Höhe ist kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge. Die unteren Enden der beiden Hohlzylinder 13 und 14 sind durch einen elektrisch leitenden Kreisring verbunden.

Auf der der Platte 10 gegenüberliegenden Seite des Bodens Q des unteren tellerförmigen Gebildes 2 sind vier Strahlerelemente l6 auf einem Kreis um die Achse 3 jeweils um versetzt angeordnet. Der Boden 9 dient als Gegengewicht für die Strahlerelemente 16.

Jedem Strahlerelement 16 ist einer der vier Direktoren zugeordnet. Sie befinden sich jeweils auf den Schnittpunkten der Radialen durch die Strahlerelemente mit einem Kreis um die Achse 3. Der Mittelstab 12 dient zur Angleichung der Eingangswiderstände des Strahlersystems für die unterschiedliche Erregungsformen der Strahlerelemente.

Zur Messung der Phase der FP-Signale sind zu den Strahlerelementen 16 dicht benachbarte Sonden 17 vorhanden.

509846/0617

E.Coors-2

Nachdem im vorhergehenden Teil der mechanische Aufbau der Antenne beschrieben wurde, wird jetzt die Funktionsweise anhand einer vereinfachten Ausführung der Antenne erläutert. Bei dieser Antenne fehlen die "Hohlzylinder 13 und lH und die Platte 10. Die Ränder 4 und 5 sind gleich breit.

In an sich bekannter Weise wird das in der Horizontalebene rotierende, kardioidenförmige Strahlungsdiagramm durch überlagerung eines Runddiagramms mit einem umlaufenden Doppelkreisdiagramm erzeugt. Bei gleichphasiger Speisung der vier Strahlerelemente 16 ergibt sich ein nahezu ideales rundes Horizontaldiagramm. Die Unrundheit ist für d= ^> kleiner als 0,1 dB, wobei d der Abstand der Strahlerelemente und λ die Wellenlänge im freien Raum ist. Zwei Strahlerelemente auf einem gemeinsamen Gegengewicht und einem gegenseitigen Abstand von d < -P erzeugen bei gegenphasiger Einspeisung ein Diagramm, das in der Horizontalebene näherungsweise eine Doppelkreisrichtcharakteristik aufweist. Werden zwei solcher orthogonal zueinander angeordnete Strahlersysteme über ein Goniometer mit sin/cos modulierter HP-Energie gespeist, dann ergibt sich ein umlaufendes Doppelkreisdiagramm. Die einzelnen Komponenten des Horizontaldiagramms sind in Fig.2 gezeigt.

Die für die unterschiedlichen Erregungsformen benötigten Signale werden den vier Strahlerelementen über ein im Unterteil der Antenne angeordnetes Speisesystem zugeführt. Um eine einwandfreie Punktion des Gesamtsystems sicherzustellen, müssen die von der Antenne abgestrahlten HF-Signale im Perhfeld die richtige Phasenbeziehung zueinander aufweisen (korrekte vektorielle Addition der ein-

509846/061 7

E.Coors-2

zelnen Peldkomponenten in der Empfangsantenne). Hierzu müssen die auf' den Strahlerelementen fließenden Ströme für-das Runddiagramm gegenüber den Strömen für die Doppelkreisdiagramme eine Phasendifferenz von 90° aufweisen.

Die Phasendifferenz wird vorteilhaft mit zu den Strahlerelementen 16 jeweils benachbarten Sonden 17 gemessen. Diese Sonden sind abgeschirmte Miniaturrahmenantennen, die nur auf das Magnetfeld der auf den Strahlerelementen fließenden Ströme ansprechen.

Wie bereits oben erwähnt befinden sich vor den Strahlerelementen 16 die Direktoren 11. Durch diese Direktoren wird das Runddiagramm etwas verformt. Die Unrundheit ist - 0,5 dB. Hierdurch entsteht aber kein Systemfehler, sondern nur eine geringe Schwankung des Modulationsgrades des abgestrahlten Signals.

In den nächsten Abschnitten wird die Aufgabe der Direktoren genauer besehrieben. Die ideale 3dB-Breite von 90° bzw. die 6dB-Breite von 120° ist ohne Direktoren nur für-^ »0

zu erreichen. Sind Direktoren vorhanden, kann durch ° den gewählten Grad der Strahlungskopplung zwischen Strahlerelementen und Direktoren die Halbwertsbreite festgelegt werden. Die Strahlungskopplung ist proportional zum gegenseitigen Abstand Strahlerelement-Direktor.

In der Punkbeschickung sind, wie in Fig.3a gezeigt, Fehler vorhanden, die von Phasenfehlern im Richtdiagramm herrühren. Um diese zu kompensieren, wird die 3dB-Breite auf einen Wert ungleich 90° festgelegt. Diese gewählte 3dB-Breite verursacht einen Fehler gleicher Art aber entgegengesetzter

509846/0617

E.Coors-2

Polarität (Pig.3b). Der Restfehler, der nach Überlagerung dieser beiden Fehler verbleibt,, ist für die Praxis vernachlässigbar (Fig.3c).

Die Bemessung der Länge der Direktoren 11 und ihrer Abstände von den Strahlerelementen l6 ist so vorzunehmen, daß die Halbwertsbreiten innerhalb des gewünschten Frequenzbandes angenähert konstant bleiben. Wie bereits erwähnt/ ist die Halbwertsbreite in erster Linie abhängig vom Grad der Ankopplung der Direktoren an die Strahlerelemente. In Verbindung damit hat auch die Stromstärke auf den Direktoren einen Einfluß auf die Halbwertsbreite. Bei konstanter Kopplung ist die Stromstärke proportional zum Verhältnis der Direktorlänge 1 zur Resonanzlänge -tj-. Ist die Direktorlänge 1 wenig kürzer als die Resonanzlänge λ_ο/2, dann nimmt bei zunehmendem A_Q das Verhältnis d/X_Q ab, d.h., die Strahlungskopplung nimmt zu. Gleichzeitig wird die Differenz von Betriebswellenlänge zu Direktorlänge größer, d.h., das Verhältnis 1A_Q entfernt sich vom Ideälwert 0,5. Somit wird die Stromstärke auf den Direktoren kleiner. Diese beiden Effekte, die die Halbwertsbreite beeinflussen, sind entgegengesetzt und _r, kompensieren sich. Dadurch bleibt die Halbwertsbreite innerhalb der interessierenden Bandbreite von 2J> % näherungsweise konstant.

Gemäß einer Weiterbildung ist es möglich, das Strahlungsdiagramm in der Vertikalebene anzuheben. Hierzu ist die Antenne im Querschnitt unsymmetrisch ausgeführt und zwar so, daß· die Breite des oberen Randes 4 kleiner ist als die Breite des unteren Randes 5·

509846/0 617

E.Coors-2

Die Hauptstrahlrichtung ist näherungsweise senkrecht zur Verbindungslinie zwischen oberem Rand und unterem Rand. Bei dieser Weiterbildung sind die elektrischen Weglängen auf den oberen und unteren Innenseiten des rotationssymmetrischen Hornstrahlers verschieden lang. Um diesen Fehler auszugleichen ist auf dem Boden 8 des oberen tellerförmigen Gebildes die bereits im ersten Teil der Beschreibung beschriebene leitende Platte 10 angebracht, die für die Ausbreitung der elektromagnetischen Wellen entlang der Innenseite des oberen tellerförmigen Gebildes als Serieninduktivität wirkt.

Gemäß einer anderen Weiterbildung wird das Vertikaldiagramm unsymmetrisch gemacht, sodaß die Strahlung nach negativen Elevationswinkeln vermindert wird, wodurch die Reflexionen am Boden reduziert werden. Hierzu dienen die bereits beschriebenen Hohlzylinder 13 und Ik. Diese beiden Hohlzylinder 13 und 14 stellen elektrisch eine am Ende kurzgeschlossene Leitung der Länge λ /k dar; sie wirken somit für das Hochfrequenzfeld wie ein (hochohmiger) Parallelresonanzkreis. Durch diese Maßnahme erscheint der äußere Rand des unteren tellerförmigen Gebildes gleichsam "isoliert" (Reduktion der Masseströme auf der Unterseite der Antenne). Die Folge ist ein bezüglich der Hauptstrahlrichtung unsymmetrisches Vertikaldiagramm. Das Vertikaldiagramm der Antenne mit dieser Weiterbildung ist in Fig.4 gezeigt.

509846/0617

Claims

~⁹" . 2A 2 2 O3f

E.Coors-2

Patentansprüche

1·/ Drehfunkfeuerantenne zur Erzeugung eines rotierenden, in der Horizont'alebene kardioidenförmigen Richtdiagramms mit vier mehrfach gespeisten Strahlerelementen, von denen Trägerenergie in Form eines Runddiagramms und Seitenbandenergie in Form von zwei orthogonal zueinander stehenden Doppelkreisdiagrammen abgestrahlt wird, wobei die Seitenbandenergie über ein Goniometer zugeführt wird, dadurch gekennzeichnet, daß die Strahlerelemente einen rotationssymmetrischen Hornstrahler erregen.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der rotationssymmetrische Hornstrahler aus zwei mit den Unterseiten gegeneinandergestellten tellerförmigen, elektrisch leitenden Gebilden (1,2) besteht, die an ihren Unterseiten durch Stäbe ClI, 12) miteinander verbunden sind und daß die Strahlerelemente (16) auf der dem oberen tellerförmigen Gebilde (1) gegenüberliegenden Seite des Bodens (9) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) parallel zur Symmetrieachse (3) des Hornstrahlers angeordnet sind.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jedem Strahlerelement (16) ein Stab (11) zugeordnet ist, daß diese Stäbe (11) leitend sind und so vor den Strahlerelementen (16) angeordnet sind, daß

509846/0617

E.Coors-2

sie als Direktoren (11) wirken.

^· Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens jedem Strahlerelement (16) ein Stab (11) zugeordnet ist, daß diese Stäbe (11) nichtleitend sind und so vor den Strahlerelementen (16) angeordnet sind, daß ein sich im Stab (11) befindlicher leitender Draht als Direktor (11) wirkt.

oder 4
5· Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Direktoren (11) von den Strahlerelementen (16) sowie Länge und Durchmesser der Direktoren (11) so gewählt sind, daß die durch den Grad ihrer Ankopplung an die Strahlerelemente (16) bestimmte Halbwertsbreite der Richtdiagramme in der Horizontalebene innerhalb der Bandbreite der Antenne konstant bleibt.

6. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Rand (5) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) breiter als der Rand (4) des oberen tellerförmigen Gebildes (1) ist.

7. Antenne nach Anspruch 1, 2 oder 6, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem unteren tellerförmigen Gebilde (2) gegenüberliegenden Seite des Bodens (8) des oberen tellerförmigen Gebildes (1) eine elektrisch leitende Platte (10) vorhanden ist, deren Durchmesser größer als der Durchmesser des Bodens (8) des tellerförmigen Gebildes (1) ist.

8. Antenne nach Anspruch 1, 2, 6 oder 7,.dadurch gekennzeichnet, daß am Rand (5) des unteren tellerförmigen Gebildes (2) konzentrisch eine umlaufende, oben geöff-

B09846/0617

E.Coors-2

nete,elektrisch leitende Rinne (13, I²*, 15) angeordnet ist, deren innere Wandung mit dem unteren tellerförmigen Gebilde (2) verbunden ist und deren Tiefe Xo/H beträgt.

Antenne nach einem der vorherigen Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß vor jedem der Strahlerelemente (16) zur Phasenüberwachung eine gegen das elektrische Feld abgeschirmte Miniatursonde (17) zur Messung des Magnetfeldes der auf dem zugehörigen Strahlerelement (16) fließenden Ströme vorhanden ist.

509846/061 7