OMNIDIRECTIONAL ANTENNA

Abstract: 1. An omnidirectional antenna having a carrier body (1) of axially-symmetrical cross-section which is electrically conductive at its surface as well as several radiator elements (2) which are arranged at a uniform angular spacing from one another on the circumference of the carrier body and which with respect to the respectively neighbouring radiator elements are fed with a phase shift corresponding to the angular spacing and have antenna rods (4) respectively conducted at a spacing from the surface of the carrier body, characterised in that the antenna rods (4) are respectively connected on one side in an electrically conductive manner to the carrier body (1), in that the antenna rods are each connected to a supply line (7) of their own which is conducted through the gap between the carrier body (1) and the antenna rod (4) and which is insulated relative to the conductive surface of the carrier body (1) and in that the planes of symmetry through the longitudinal extent of the antenna rods (4) as well as the connection points thereof to the carrier body (1) are inclined with respect to the axis of symmetry of the carrier body (1).

Description: Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens Die Erfindung betrifft eine Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens. Ein Bedarf zum Einsatz derartiger Antennenanordnungen besteht beispielsweise bei Flugkörpern oder auch bei Raumflugkörpern bzw. Satelliten, etwa zu Telemetrie- und Lenkkommandoübertragungszwecken. Dabei wird vor allem verlangt, dass eine möglichst isotrope Rundstrahlcharakteristik erzielbar ist und über einen weiten Raumwinkelbereich keine Einbrüche im Strahlungsdiagramm auftreten. Weiterhin soll die Antennenanordnung flexibel hinsichtlich der Verarbeitung verschiedener Polarisationsarten und insbesondere für zirkular polarisierte Strahlung auslegbar sein. Bei der Verwendung für Flugkörper oder Satelliten ergibt sich als besondere Forderung, dass die Antennenanordnung möglichst wenig Raum beanspruchen und eine hohe mechanische Stabilität bei geringem Gewicht besitzen soll. Infolgedessen liegt der Erfindung in erster Linie die Aufgabe zugrunde, eine Antennenanordnung der eingangs genannten Art bereitzustellen, mit der so weitgehend wie möglich ein isotropes Rundstrahlverhalten erzielbar ist. Weitere Anforderungen sind, je nach dem speziellen Anwendungszweck, den obigen Ausführungen zu entnehmen. Gemäss der Erfindung wird diese Aufgabe dadurch gelöst, dass die Antennenanordnung folgende konstruktive Merkmale aufweist: Einen Trägerkörper, der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers in gleichmässigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente, die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten, geraden, vorzugsweise zur Oberfläche parallelen, oder gebogenen Antennenstab aufweisen, wobei die Strahlerelemente so am Trägerkörper angebracht sind, dass ihre durch die Längserstreckung der Antennenstäbe sowie deren Verbindungsstellen mit dem Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen in bezug auf die Vorwärtsstrahlrichtung geneigt sind. Hier wird demnach verlangt, dass am Umfang eines bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung achssymmetrischen Trägerkörpers in regelmässigen Winkelabständen gleichartige Strahlerelemente angebracht werden. Diese Strahlerelemente sollen nach dem an sich bekannten Prinzip der Transmission Line- oder Scimitar-Antennen aufgebaut sein. Deren Antennenstäbe können entweder jeweils auf einer separaten, auf dem Trägerkörper leitend befestigten Basisplatte oder direkt auf dem Trägerkörper angebracht sein. Basisplatte bzw. Trägerkörper werden in diesem Zusammenhang im folgenden auch als Antennenbasis bezeichnet. Die Speisung eines derartigen Strahlerelements erfolgt gewöhnlich über ein Koaxialkabel, dessen Aussenleiter mit der Antennenbasis und dessen Innenleiter nach isolierter Durchführung durch letztere mit dem Antennenstab leitend verbunden ist. Die Lage des Fusspunktes des Innenleiters auf dem Antennenstab hängt dabei in erster Linie von der Betriebswellenlänge und dem Abstand von der Antennenbasis ab. Das Strahlungsverhalten eines derartigen Strahlerelements ist durch zwei orthogonal zueinander polarisierte Wellen bestimmt. Die primäre Welle wird dabei im wesentlichen durch den den Spalt zwischen Antennenbasis und Antennenstab durchquerenden Innenleiter erregt, wobei sich eine parallel zum Innenleiter polarisierte Rundstrahlung ergibt, ähnlich der Strahlung eines Monopols. Die sekundäre Welle wird durch den Antennenstab erregt und ist parallel zu diesem polarisiert. Das gesamte räumliche Strahlungsdiagramm eines derartigen Strahlerelementes ergibt sich aus der Überlagerung dieser beiden Wellen, die in Abhängigkeit von der Abstrahlrichtung zum Auftreten von linearer bis zirkularer Polarisation beider Drehrichtungen führt. Es hat sich nun gezeigt, dass ein isotropes Rundstrahlverhalten in sehr guter Annäherung dadurch erzielbar ist, dass am Umfang eines, wie oben erwähnt, symmetrischen Trägerkörpers in regelmässigen Abständen derartige Strahlerelemente so angeordnet werden, dass deren Antennenstäbe in bezug auf die eine Symmetrieachse des Trägerkörpers darstellende Vorwärtsstrahlrichtung bzw. deren Parallelen geneigt sind. Weiterhin ist zu beachten, dass die einzelnen Strahlerelemente mit einer Phasenverschiebung zu speisen sind, die sich durch Division des Vollwinkels von 3600 durch die Anzahl der am Umfang insgesamt angeordneten Strahlerelemente ergibt. Insgesamt addieren sich diese bei einem Umlauf gleichgerichteten Phasenverschiebungen demnach zu 3600. Die Strahlerelemente sollen sämtlich im wesentlichen die gleichen geometrischen Abmessungen besitzen, und ihre Antennenstäbe sollen gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung sämtlich um den gleichen Winkelbetrag geneigt sein. Die Neigung wird dabei bevorzugt jeweils in einer Ebene erfolgen, die parallel zur Vorwärtsstrahlrichtung orientiert ist und deren Flächennormale die in Vorwärtsstrahlrichtung weisende Symmetrieachse des Trägerkörpers schneidet. Aus der gewünschten Polarisation, d.h. links oder rechts zirkular, der Antennenanordnung folgt, mit welchem Drehsinn die Strahlerelemente zu speisen sind. Um eine Optimierung der Rundstrahleigenschaften zu erhalten, sind die Antennenstäbe der Strahlerelemente, in Vorwärtsstrahlrichtung gesehen, mit ihren freien Enden nach der Seite geneigt, die dem Drehsinn der Polarisation und damit des Drehfeldes entspricht. Werden die Antennenstäbe bei Polarisationswechsel und damit verbundenem Wechsel des Drehfeldes der Speisung in der vorherigen Stellung belassen, so ergibt sich eine Verminderung der Isotropie im rückwärtigen Bereich. Gemäss einer vorteilhaften Weiterbildung der Erfindung ist vorgesehen, bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung hinter den Strahlerelementen und in achssymmetrischer Ausrichtung dazu einen kegelstumpfförmigen Reflektor mit in Vorwärtsstrahlrichtung sich verjüngendem Querschnitt oder einen ebenen Reflektor anzuordnen. Durch einen derartigen, mit dem Trägerkörper leitend verbundenen, metallischen Reflektor wird erreicht, dass die sonst vor allem in den rückwärtigen Raum gerichtete, kreuzpolarisierte Störstrahlung zum grossen Teil durch Reflexion an der Reflektorfläche und gleichzeitige Phasenumkehr in Nutzstrahlung der gewünschten Polarisation umgewandelt wird. Dieser Effekt kann durch richtige Positionierung und Dimensionierung des Reflektors optimiert werden. Damit verbunden ist eine erhebliche Verminderung der an der Satellitenstruktur ungeordnet reflektierten Störstrahlungsanteils. Darüber hinaus kann zusätzlich hinter diesem ersten Reflektor mit Abstand zu diesem und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer, ebener Reflektor angeordnet sein. Dieser Reflektor verstärkt den obigen Effekt, indem er eine Beugung der Störstrahlung um den Rand des ersten Reflektors herum weitgehend reduziert und somit zusätzlich zur Unterdrückung der kreuzpolarisierten Strahlung in den rückwärtigen Raumbereich beiträgt, die bei einer Reflexion beispielsweise am Satelliten körper den Drehsinn der Polarisierung umkehren und somit mit der Nutzstrahlung unkontrolliert interferieren würde. Eine weitere Abstimmung des Strahlungsdiagramms kann dadurch ermöglicht werden, dass der Trägerkörper über die Strahlerelemente in Vorwärtsstrahlrichtung hinausragt. Dies geschieht vorzugsweise um einen Betrag von einem Viertel bis der Hälfte der Betriebswellenlänge. Hierdurch wird vor allem die Isotropie der Strahlung verbessert. Eine bevorzugte Ausführungsform der erfindungsgemässen Antennenanordnung ist dadurch gegeben, dass der Trägerkörper einen gleichbleibend quadratischen Querschnitt aufweist und an jeder seiner vier Seitenflächen ein Strahlerelement trägt. Dabei sind die jeweiligen Antennenstäbe mit ihren freien Enden in zur jeweiligen Seitenfläche parallelen Ebenen um einen vorgebbaren Winkel gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung geneigt. Die vier Strahlerelemente werden mit jeweils 900 Phasendifferenz zueinander gespeist. Zum Zwecke der phasenverschobenen Speisung der Strahlerelemente wird zweckmässig ein Hybridnetzwerk verwendet, welches auf der Rückseite des weiteren ebenen Reflektors integriert sein kann. Die Verschaltung kann dabei derart gestaltet sein, dass das Hybridnetzwerk ausgangsseitig über HF-Leitungen mit den einzelnen Strahlerelementen verbunden ist. Dazu wird der Trägerkörper als Hohlkörper ausgebildet, so dass die HF-Leitungen, beispielsweise Koaxialkabel, in seinem Inneren verlaufen und durch seine Seitenwände hindurch mit den Strahlerelementen verbunden werden können. Die Antennenanordnung soll flexibel hinsichtlich der beiden möglichen Drehrichtungen der zirkularen Polarisation sein. Daher wird das Hybridnetzwerk zweckmässig eingangsseitig mit je einem Eingang für links- und rechtsdrehende Polarisation bzw. Phasenansteuerung ausgestattet. Beim Wechsel der Polarisationsdrehrichtung ist es zweckmässig, die Strahlerelemente selbst, bezogen auf deren Antennenstäbe, ebenfalls in die andere Drehrichtung zu neigen. Schliesslich besteht bei einem Hybridnetzwerk mit zwei Eingängen noch die Möglichkeit, auch eine simultane Einspeisung einer links- und rechtsdrehenden Welle vorzunehmen. Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in den Abbildungen dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Es zeigen: Fig.1 eine Antennenanordnung gemäss der Erfindung mit einem Trägerkörper quadratischen Querschnitts und vier Strahlerelementen in Seitenansicht; Fig.2 ein durch die Antennenanordnung der Fig.1 erzielbares Strahlungsdiagramm. In Fig.1 ist in schematischer Weise in Seitenansicht eine Antennenanordnung dargestellt, die im wesentlichen aus einem Trägerkörper 1, vier Strahlerelementen 2, einem kegelstumpfförmigen, ersten Reflektor 12 sowie einem ebenen Reflektor 13 besteht. Der Trägerkörper hat in seinem oberen, die Strahlerelemente 2 tragenden Teil einen quadratischen Querschnitt, geht in einem anschliessenden Teil 10 auf einen kreisförmigen Querschnitt über, den er in seinem unteren Teil 14 beibehält. Der Trägerkörper 1, 10, 14 ist über seine ganze Länge als Hohlkörper ausgebildet und aus Metall, etwa Aluminium, gefertigt. Er besitzt eine Symmetrieachse 5, die in die Vorwärtsstrahlrichtung 15 der Antennenanordnung orientiert ist. Die Strahlerelemente 2 sind hier vom Typ der sogenannten Transmission-Line-Antennen und bestehen im wesentlichen aus je einer metallischen Basisplatte 3 und einem ebenfalls metallischen Antennenstab 4, der über nahezu seine gesamte Länge in einem gewissen Abstand parallel zur Basisplatte 3 geführt und mit dieser leitend verbunden ist. Das Strahlerelement 2 ist als Gussstück ausgeführt, so dass der Antennenstab 4 über die Basisplatte 3 elektrisch leitenden Kontakt zum Trägerkörper hat. Die Speisung der Strahlerelemente 2 erfolgt jeweils über ein eigenes Koaxialkabel 6. Dies ist durch einen Teilschnitt am Strahlerelement 2a näher dargestellt. Demnach wird das Koaxialkabel 6 zunächst, aus dem Inneren des hohlen Trägerkörpers 1 kommend, durch eine entsprechende Öffnung in dessen Wand hindurchgeführt. Der Aussenleiter 9 wird dann mit der Basisplatte 3 in elektrischen Kontakt gebracht. Der Innenleiter 7 mit der ihn umgebenden Isolierung 8 ist dann durch eine dafür vorgesehene Öffnung in der Basisplatte 3 hindurchgeführt. Der Innenleiter 7 ist zweckmässig unter Schaffung eines guten elektrischen Kontaktes in eine Bohrung des Antennenstabes 4 eingesenkt. Der Anschluss des Koaxialkabels 6 an die Strahlerelemente 2 kann auch mittels HF-Steckverbindungen erfolgen. Anstelle von Koaxialkabeln können auch andere HF Leitungen verwendet werden. Die Koaxialkabel der vier Strahlerelemente sind an die entsprechenden Ausgänge eines Hybridnetzwerkes 16 angeschlossen, welches an der Unterseite der Reflektorplatte 13 angebracht sein kann. Die Speisung erfolgt mit jeweils 900 Phasenverschiebung zwischen benachbarten Strahlerelementen mit einem bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung rechtsdrehenden Drehfeld. Die bevorzugte Polarisationsrichtung ist damit zirkular rechtsdrehend. In Abhängigkeit von der Betriebswellenlänge ist die Antennenanordnung so dimensioniert, dass die Seitenlänge c des quadratischen Querschnitts sowie die Länge d des über die Strahlerelemente 2 hinausragenden Teils des Träger körpers 1 je ca. > #/4 bis > #/2, die Gesamtlänge t der Antennenanordnung ca. 1,5# Aund der Durchmesser D der Reflektorplatte 13 ca. zubeträgt. Für die Erzielung eines optimalen Strahlungsdiagramms sollte der Winkel a , um den die Antennenstäbe 4 bzw. die durch deren Längserstreckung und deren Verbindungsstelle 17 zum Trägerkörper gegebenen Symmetrieebenen 18 der Strahlerelemente 2 gegenüber der durch die Vorwärtsstrahlrichtung 15 gegebenen Richtung geneigt sind:,#bis zu450 betragen, vorzugsweise zwischen 180 und 360. Ein günstiger Bereich für den halben offnungs- winkel /2 des kegelstumpfförmigen Reflektors 12 ist #450. Fig.2 zeigt ein bei einer Betriebsfrequenz von 2,1 GHz mit der Antennenanordnung der Fig.1 aufgenommenes Strahlungsdiagramm. Dargestellt ist eine zur Zeichenebene der Fig.1 parallele, durch die Symmetrieachse 5 verlaufende Ebene, wobei die Richtung der Symmetrieachse 5 gleichzeitig mit der Vorwärtsstrahlrichtung identisch ist < e= --00). Die aus- gezogene Kurve R gibt in Abhängigkeit vom Ablagewinkel o die relative Strahlungsleistung in dB der im vorliegenden Falle gewünschten, rechtszirkular polarisierten Strahlung wieder. Fig.3 zeigt eine weitere, mit Vorteil anzuwendende Ausführungsform der Erfindung. Die schematisch dargestellte Antennenanordnung dient dem simultanen Betrieb von rechtsund linkszirkularer Polarisation. Die Strahlerelemente 19 sind im gegenseitigen Abstand von jeweils 900 auf einem rotationssymmetrischen Trägerkörper 20 mit kreiszylindrischem Querschnitt so angeordnet, dass sie parallel zur Symmetrieachse 21 des Trägerkörpers 20 orientiert sind. Die Strahlerelemente 19 werden über Koaxialkabel mit jeweils 900 Phasendifferenz von einem Hybridnetzwerk gespeist. Der sich an den bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung 15 nach vorn orientierten, mit konstantem kreiszylindrischen Querschnitt ausgestatteten Teil des Trägerkörpers 20 nach hinten anschliessende Übergangsteil 22 hat einen sich aufweitenden kreisförmigen Querschnitt und im Längsschnitt eine doppelt gegensinnig gekrümmte, nämlich doppelt exponentiell geformte Aussenkontur. Diese Gestaltung trägt zur Diagrammformung bei. Die von den Strahlerelementen 19 erzeugten Oberflächenströme fliessen auf der Oberfläche des Trägerkörpers 20 und in Fortsetzung vermindert auf dem doppelt exponentiell geformten Übergangsteil 22. Diese Ströme erzeugen ihrerseits ein elektromagnetisches Feld, das mit dem primären Strahlungsfeld interfer#iert. Durch die Krümmung der Oberfläche entstehen allerdings keine bevorzugten Raumrichtungen für das interfervierende Strahlungsfeld. Infolgedessen bleibt das Strahlungs verhalten der Antenne im Winkelbereich 0 00f e z 900 weitgehend erhalten. Für die rückwärtig gerichtete primäre Strahlung wirkt der exponentiell geformte Übergangsteil 22 als geometrisch optischer Schatten, der durch Veränderung des Abstandes zwischen den Strahlerelementen 19 sowie die spezielle Formung des exponentiellen Übergangsteils eingestellt werden kann. Durch die spezielle Formgebung des Übergangsteils entsteht kein gebeugtes Strahlungsfeld. Zur Verminderung der rückwärtig gerichteten, kreuzpolaren Störstrahlung dient eine Wellenfalle 24 der radialen Tiefe A /4 in dem an den Übergangsteil 22 anschliessenden Abschlussteil 23, der wiederum einen konstanten kreisförmigen Querschnitt mit allerdings vergrössertem Radius aufweist. Die Verminderung des kreuzpolaren Pegels im Winkelbereich 90 ' G L 1500 beträgt ca. 10 dB.

Claims: Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens Patentansprüche 1. Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahl verhaltens, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Trägerkörper (1), der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung (15) achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers (1) in gleichmässigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente (2), die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper (1) elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten, geraden, vorzugsweise zur Ober fläche parallelen, oder gebogenen Antennenstab (4) auf weisen, wobei die Strahlerelemente (2) so am Träger körper (1) angebracht sind, dass ihre durch die Längs erstreckung der Antennenstäbe (4) sowie deren Verbindungs stellen mit dem Trägerkörper (1) gegebenen Symmetrie ebenen in bezug auf die Vorwärtsstrahlrichtung (15) geneigt sind. 2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter den Strahlerelementen (2) und in achssymmetrischer Ausrichtung dazu ein kegelstumpfförmiger Reflektor (12) mit in Vorwärtsstrahlrichtung (15) sich verjüngendem Querschnitt angeordnet ist. 3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter den Strahlerelementen (2) und senkrecht zur Symmetrieachse (5) des Trägerkörpers (1) ein ebener Reflektor angeordnet ist. 4. Antennenanordnung nach Anspruch 2 oder 3, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) hinter dem kegelstumpfförmigen (12) bzw. ebenen Reflektor mit Abstand zu diesem und über dessen Rand hinausragend, ein weiterer ebener Reflektor (13) angeordnet ist. 5. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Trägerkörper (1) einen quadratischen Querschnitt aufweist und an jeder seiner vier Seitenflächen ein Strahlerelement (2) trägt, dessen Antennenstab (4) mit seinem freien Ende in einer zur jeweiligen Seitenfläche parallelen Ebene um einen vorgebbaren Winkel (O( ) gegenüber der Vorwärtsstrahlrichtung (15) geneigt ist. 6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass die vier Strahlerelemente (2) mit jeweils 900 Phasendifferenz zueinander gespeist sind. 7. Antennenanordnung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass zur phasenverschobenen Speisung der Strahlerelemente (2) ein Hybridnetzwerk, vorzugsweise in Streifenleitertechnik, verwendet wird. 8. Antennenanordnung zur Erzielung isotropen Rundstrahlverhaltens, g e k e n n z e i c h n e t durch einen Trägerkörper (1, 20), der mindestens an seiner Oberfläche elektrisch leitend ist und bezüglich einer gegebenen Vorwärtsstrahlrichtung (15) achssymmetrischen Querschnitt aufweist, sowie mehrere, am Umfang des Trägerkörpers (1, 20) in gleichmässigem Winkelabstand voneinander angeordnete, mit Phasenverschiebung gespeiste Strahlerelemente (2, 19), die jeweils einen an einer Seite mit dem Trägerkörper (1, 20) elektrisch leitend verbundenen und mit Abstand zu dessen Oberfläche geführten, oder gebogenen, mit seiner Längsachse jeweils parallel zur Symmetrieachse des Trägerkörpers (5, 21) orientierten Antennenstab (4) aufweisen. 9. Antennenanordnung nach Anspruch 8, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass der Trägerkörper (20) einen bezüglich der Vorwärtsstrahlrichtung (15) nach vorn orientierten, die Strahlerelemente (19) tragenden Teil mit konstantem, kreiszylindrischem Querschnitt sowie einen nach hinten daran anschliessenden Übergangs- teil (22) mit sich erweiterndem kreisförmigem Querschnitt aufweist, der wiederum in einem anschliessenden kreiszylindrischen Abschlussteil (23) ausläuft, wobei der Übergangsteil (22) im Längsschnitt eine doppelt gegensinnig, vorzugsweise doppelt exponentiell gekrümmte Aussenkontur besitzt. 10. Antennenanordnung nach Anspruch 9, dadurch g e k e n n z e i c h n e t , dass im kreiszylindrischen Abschlussteil (23) eine durch eine ringförmige Ausnehmung der radialen Tiefe # /4 gebildete Wellenfalle (24) vorhanden ist.

Inventors: STEINER, HANS-JURGEN, DIPL.-ING., TYMANN, GERHARD, Steiner, Hans-Jürgen, Dipl.-Ing.
Applicants: MESSERSCHMITT-BOLKOW-BLOHM GESELLSCHAFT MIT BESCHRANKTER HAFTUNG
Application year: 1984
Main classification: H01Q21
IPC codes: H01Q21, H01Q9