DE1015870B

DE1015870B - Coil antenna for transmitting and receiving very short circularly polarized electrical waves

Info

Publication number: DE1015870B
Application number: DEE10867A
Authority: DE
Inventors: Michael Morley Johnston Gammon; Trevor Gordon Hame
Original assignee: EMI Ltd
Current assignee: EMI Ltd
Priority date: 1954-06-17
Filing date: 1955-06-16
Publication date: 1957-09-19
Also published as: FR1126260A; US2863148A

Description

Die Erfindung betrifft Spulenantennen zur Ausstrahlung oder zum Empfang sehr kurzer elektrischer Wellen, die in ein Isoliermaterial eingebettet sind.The invention relates to coil antennas for transmitting or receiving very short electrical signals Waves that are embedded in an insulating material.

Es ist bekannt, für die Ausstrahlung oder den Empfang von Mikrowellenenergie eine Antenne vorzusehen, welche aus einem in Form einer Spule gewickelten Leiter besteht und welche mit einem flachen Reflektor versehen ist. Bei einer Spule mit gegebenen Abmessungen ändert sich die Betriebsart und das Strahlungsdiagramm in Abhängigkeit von der Frequenz. Eine Spulenantenne kann in mehreren verschiedenen Betriebsarten betrieben werden. Die Spulenantenne hat den Vorteil, Energie über ein weites Frequenzband ausstrahlen oder empfangen zu können, und darüber hinaus ist sie im Aufbau sehr einfach. Die Schwierigkeit bei der Konstruktion solcher Antennen besteht jedoch darin, eine Halterung zu finden, die der Antenne die notwendige mechanische Festigkeit bei Erschütterungen gibt.It is known to provide an antenna for the transmission or reception of microwave energy, which consists of a conductor wound in the form of a coil and which with a flat one Reflector is provided. With a coil of given dimensions, the operating mode and that changes Radiation diagram as a function of frequency. A coil antenna can come in several different ways Operating modes are operated. The coil antenna has the advantage of having energy over one to be able to transmit or receive a wide frequency band, and in addition it is very much in its construction simple. The difficulty in constructing such antennas, however, is having a bracket to find one that gives the antenna the necessary mechanical strength in the event of vibrations.

Zur Erhöhung der mechanischen Festigkeit einer Spulenantenne ist es bekannt, die Spule in ein plastisches Material einzugießen bzw. die Spule gänzlich mit plastischem Material zu umgeben. Hierbei tritt jedoch eine Störung des Strahlungsdiagramms ein, da der aus Isoliermaterial bestehende Haltekörper die Tendenz hat, als dielektrischer Strahler zu wirken.To increase the mechanical strength of a coil antenna, it is known to convert the coil into a plastic one Pour in material or completely surround the coil with plastic material. This occurs However, a disturbance of the radiation pattern, since the holding body made of insulating material the Has a tendency to act as a dielectric radiator.

Zur Vermeidung dieses Nachteiles beträgt erfindungsgemäß bei einer Spulenantenne zur Ausstrahlung und zum Empfang sehr kurzer zirkulär polarisierter elektrischer Wellen, die in ein Isoliermaterial eingebettet ist, der Durchmesser des Isoliermaterials etwa eine halbe Wellenlänge der mittleren Frequenz des Frequenzbandes der Antenne. Gemäß einer Weiterbildung der Erfindung ist um die Spulenantenne herum koaxial mit dieser ein Reflektor mit konusartiger oder einer anderen zum freien Ende der Spule hin divergierender Form angeordnet. Vorzugsweise besitzt der Reflektor konische Form und hat einen Öffnungswinkel von etwa 90°. Er ist koaxial zur Längsachse der Antenne angeordnet, und die Apertur ist etwa gleich einer Wellenlänge oder größer gewählt, wobei unter der Wellenlänge die Wellenlänge des freien Raumes bei der mittleren auszustrahlenden oder zu empfangenden Frequenz gemeint ist.To avoid this disadvantage, according to the invention, a coil antenna for radiation and for receiving very short circularly polarized electrical waves embedded in an insulating material is, the diameter of the insulating material is about half a wavelength of the mean frequency of the Frequency band of the antenna. According to a further development of the invention is around the coil antenna coaxially with this a reflector with a cone-like or another diverging towards the free end of the coil Arranged form. The reflector preferably has a conical shape and an opening angle of about 90 °. It is arranged coaxially to the longitudinal axis of the antenna, and the aperture is approximately chosen to be equal to or greater than a wavelength, the wavelength of the free Space at the mean frequency to be broadcast or received is meant.

An Hand von in den Zeichnungen dargestellten Ausführungsbeispielen soll die Erfindung nachstehend näher erläutert werden.On the basis of the embodiments shown in the drawings, the invention is intended below are explained in more detail.

Fig. 1 zeigt eine Spulenantenne, welche für den Sendebetrieb in der ersten axialen Schwingungsform in einem Frequenzbereich entwickelt wurde, dessen mittlere Frequenz etwa bei 4000 MHz liegt. Die Antenne besitzt eine Metallspule 1, welche beispielsweise vier Windungen aufweist, und welche, vom freien Ende der Spule aus gesehen, im UhrzeigersinnFig. 1 shows a coil antenna which is used for transmitting in the first axial waveform was developed in a frequency range with an average frequency of around 4000 MHz. the Antenna has a metal coil 1, which has, for example, four turns, and which, from clockwise as seen from the free end of the coil

Spulenantenne zur AusstrahlungCoil antenna for broadcast

und zum Empfang sehr kurzerand very short to receive

zirkulär polarisierter elektrischer Wellencircularly polarized electric waves

Anmelder:Applicant:

Electric & Musical Industries Ltd.,
Hayes, Middlesex (Großbritannien)Electric & Musical Industries Ltd.,
Hayes, Middlesex (Great Britain)

Vertreter: Dr.-Ing. B. Johannesson, Patentanwalt,
Hannover, Göttinger Chaussee 76Representative: Dr.-Ing. B. Johannesson, patent attorney,
Hanover, Göttinger Chaussee 76

Beanspruchte Priorität:
Großbritannien vom 17. Juni 1954 und 2. Juni 19S5Claimed priority:
Great Britain June 17, 1954 and June 2, 19S5

Trevor Gordon Harne, London,
und Michael Morley Johnston Gammon, Kingston,Trevor Gordon Harne, London,
and Michael Morley Johnston Gammon, Kingston,

Surrey (Großbritannien),
sind als Erfinder genannt wordenSurrey (UK),
have been named as inventors

gewickelt ist. Das nach der Zeichnung rechte Ende der Spule ist mit dem Innenleiter 2 einer koaxialen Speiseleitung für die durch die Antenne auszustrahlende oder zu empfangende Energie verbunden. Der Außenleiter der koaxialen Speiseleitung, von welchem ein Abschnitt 3 in der Zeichnung dargestellt ist, ist mit dem Metallkonus 4 verbunden, der koaxial mit der Spule 1 angeordnet ist und der als Reflektor für die Antenne wirkt. Die koaxiale Speiseleitung kann wie in der Zeichnung dargestellt oder in der Achse der Spule angeordnet sein. Zur Abstützung der Spule und um Festigkeit bei Erschütterungen zu gewährleisten, ist die Spule 1 vollständig in einer zylindrischen Hülse aus dielektrischem Material angeordnet, welches im vorliegenden Beispiel Polythen sein soll, während ein zylinderförmiger Kern aus dem gleichen dielektrischen Material im Innern der Spule angeordnet ist. Dieser Kern ist in Fig. 1 gestrichelt gezeichnet und mit 6 bezeichnet. An Stelle einer Anordnung, die aus einer Hülse 5 und einem Kern 6 besteht, kann die Spule 1 teilweise oder ganz in Dielektrikum eingeschmolzen sein, dessen äußere Abmessungen mit denen der Hülse 5 übereinstimmen. Die Anordnung ist am Konus 4 und damit an der Antennenabstützung in irgendeiner geeigneten Weise befestigt. Die in Fig. 1 gezeigte Antenne ist für die Ausstrahlung einer zirkulär polarisierten Welle hauptsächlich entlang deris wrapped. The right end of the coil according to the drawing is coaxial with the inner conductor 2 Feed line for the energy to be emitted or received by the antenna. Of the Outer conductor of the coaxial feed line, a section 3 of which is shown in the drawing connected to the metal cone 4, which is arranged coaxially with the coil 1 and which acts as a reflector for the antenna works. The coaxial feed line can be as shown in the drawing or in the axis of the Be arranged coil. To support the coil and to ensure stability in the event of vibrations, the coil 1 is completely arranged in a cylindrical sleeve made of dielectric material, which in the present example is said to be polythene, while a cylindrical core made of the same dielectric Material is arranged inside the coil. This core is shown in dashed lines in FIG. 1 and denoted by 6. Instead of an arrangement consisting of a sleeve 5 and a core 6, the coil 1 be partially or completely melted into dielectric, the external dimensions of which match those of the Sleeve 5 match. The arrangement is on the cone 4 and thus on the antenna support in attached in any suitable manner. The antenna shown in Fig. 1 is for broadcasting a circularly polarized wave mainly along the

709 697/287709 697/287

Achse der Spule vorgesehen. Da die Spule in dielektrischem Material angeordnet ist, nimmt die Antenne einige der Eigenschaften eines dielektrischen Strahlers an, was daher rührt, daß das dielektrische Material als Leiter für die.elektrische Strahlung entlang seiner Länge wirkt. Die Phasenausbreitungsgeschwindigkeit entlang des Dielektrikums und das Verhältnis der innerhalb zu der außerhalb des Dielektrikums geführten Energie sind abhängig vom Durchmesser der Anordnung, welche aus der Hülse 5 und dem Kern 6 besteht, der Betriebswellenlänge und der Dielektrizitätskonstante k des Materials, aus welchem die Anordnung besteht. Gemäß der Erfindung soll der Durchmesser der Anordnung etwa in der Größenordnung einer halben Wellenlänge der mittleren Frequenz des Frequenzbandes der Antenne liegen. Es kann gezeigt werden, daß unter dieser Bedingung eine Störung des Strahlungsdiagramms, verglichen mit dem, welches durch eine Spulenantenne im freien Raum erzielt wird, relativ klein ist. Es ist natürlich notwendig, die Abmessungen der Spule ebenfalls derart zu bemessen, daß das gleiche Strahlungsdiagramm im gleichen Frequenzband wie mit einer im freien Raum angeordneten Spule erzeugt wird. So kann z. B. eine Spule, welche im freien Raum angeordnet ist und welche im obengenannten Frequenzband mit einer mittleren Frequenz von etwa 4000 MHz arbeitet, eine Steigung von etwa 1,83 cm und einen Außendurchmesser von 2,36 cm besitzen, während für die Spulenantenne, die zwischen den dielektrischen Teilen 5 und 6 angeordnet ist, die Abmessungen im Verhältnis ]/;7: 1 vermindert sind. Für den Fall, daß das dielektrische Material Polythen (polythene) ist, ist es erforderlich, daß die Steigung der Spule auf etwa 1,22 cm und sein Durchmesser auf etwa 1,57 cm vermindert wird. Es wurde festgestellt, daß die Antenne, deren Spulenabmessungen in dieser Größenordnung liegen, ein ähnliches Strahlungsdiagramm aufweist, wie eine Spule mit den obenerwähnten größeren Abmessungen, welche im freien Raum angeordnet ist. Die Richtung der Rotation des elektrischen Vektors der sich ausbreitenden Welle hängt davon ab, ob die Spule im Uhrzeigersinn oder im Gegenuhrzeigersinn gewickelt ist.Axis of the coil provided. Since the coil is placed in dielectric material, the antenna takes on some of the properties of a dielectric radiator, which is because the dielectric material acts as a conductor for the electrical radiation along its length. The phase propagation speed along the dielectric and the ratio of the energy carried inside to the outside of the dielectric are dependent on the diameter of the arrangement, which consists of the sleeve 5 and the core 6, the operating wavelength and the dielectric constant k of the material from which the arrangement is made. According to the invention, the diameter of the arrangement should be in the order of magnitude of half a wavelength of the mean frequency of the frequency band of the antenna. It can be shown that under this condition disturbance of the radiation pattern is relatively small compared to that obtained by a coil antenna in free space. It is of course necessary to dimension the coil also in such a way that the same radiation pattern is generated in the same frequency band as with a coil arranged in free space. So z. B. a coil which is arranged in free space and which operates in the above frequency band with a mean frequency of about 4000 MHz, have a pitch of about 1.83 cm and an outer diameter of 2.36 cm, while for the coil antenna, the is arranged between the dielectric parts 5 and 6, the dimensions are reduced in the ratio] /; 7: 1. In the case where the dielectric material is polythene, it is necessary that the pitch of the coil be reduced to about 1.22 cm and its diameter to about 1.57 cm. It has been found that the antenna, the coil dimensions of which are in this order of magnitude, has a radiation pattern similar to that of a coil with the larger dimensions mentioned above, which is arranged in free space. The direction of rotation of the electric vector of the traveling wave depends on whether the coil is wound clockwise or counterclockwise.

Der Konus 4 hat einen Öffnungswinkel von 90° und eine Apertur in der Größenordnung von λ, wobei X die Wellenlänge im freien Raum bei der oben genannten mittleren Frequenz ist. In der Praxis empfiehlt es sich, die Abmessungen des Konusses empirisch zu bestimmen, um eine größtmögliche Verminderung der Nebenmaxima des Strahlungsdiagrammes zu erhalten. Im vorliegenden Fall betrug die Konusapertur angenähert 7,62 cm. Der Reflektor muß jedoch nicht genau konische Form aufweisen, es können auch andere Reflektoren mit Umrißlinien verwendet werden, die gegen das freie Ende der Spule hin divergieren. The cone 4 has an opening angle of 90 ° and an aperture in the order of magnitude of λ, where X is the wavelength in free space at the above-mentioned mean frequency. In practice it is advisable to determine the dimensions of the cone empirically in order to obtain the greatest possible reduction in the secondary maxima of the radiation diagram. In the present case, the cone aperture was approximately 7.62 cm. However, the reflector does not have to have an exactly conical shape; other reflectors with outlines which diverge towards the free end of the coil can also be used.

Fig. 2 stellt eine weitere Ausführungsform einer erfindungsgemäßen Antenne dar, welche für den Betrieb im X-Band, d. h. bei Frequenzen in der Größenordnung von 10Ό00 MHz, entwickelt wurde. Die Antenne ist im wesentlichen von gleicher Konstruktion wie die der Fig. 1, und entsprechende Teile sind mit gleichen Bezugszeichen versehen. Die Abmessungen sind jedoch im richtigen Verhältnis entsprechend der höheren Betriebsfrequenz vermindert. Die Spule hat etwa 4¹A Windungen und ist im Uhrzeigersinn gewickelt. Der Durchmesser der Spule beträgt etwa 0,74 cm, ihre Steigung 0,56 cm und die Dicke des Spulendrahtes etwa 0,1 cm. Der Durchmesser des Polythenkernes ist etwa 0,64 cm, die Polythenhülse hat eine Dicke von 0,23 cm, und die Länge der Hülse ist etwa 2,54 cm. Der Aperturdurchmesser des Konus ist etwa 3,4 cm. Die in Fig. 2 gezeigte Anordnung weist jedoch, verglichen mit der Anordnung nach Fig. 1, eine andere Energiezuführung zur Spule durch den Konus auf. Der Konus ist direkt auf den Hohlleiter 7 montiert; eine Sonde 9 erstreckt sich durch eine Polythenfassung 8 an der Spitze des Konus hindurch vom inneren Ende der Spule in die Hohlrohrleitung. Ein Kurzschlußschieber 10 ist am Ende der Hohlrohrleitung angeordnet, um eine Impedanzanpassung der Spulensonde an die Hohlrohrleitung zu erleichtern.FIG. 2 shows a further embodiment of an antenna according to the invention which was developed for operation in the X-band, ie at frequencies in the order of magnitude of 10Ό00 MHz. The antenna is of essentially the same construction as that of Fig. 1 and corresponding parts are given the same reference numerals. However, the dimensions are reduced in proportion to the higher operating frequency. The coil has about 4 ¹ A turns and is wound clockwise. The diameter of the coil is about 0.74 cm, its pitch 0.56 cm and the thickness of the coil wire about 0.1 cm. The diameter of the polythene core is about 0.64 cm, the polythene sleeve is 0.23 cm thick, and the length of the sleeve is about 2.54 cm. The aperture diameter of the cone is about 3.4 cm. The arrangement shown in FIG. 2, however, compared to the arrangement according to FIG. 1, has a different energy supply to the coil through the cone. The cone is mounted directly on the waveguide 7; a probe 9 extends through a polythene socket 8 at the tip of the cone from the inner end of the coil into the hollow tubing. A short-circuit slide valve 10 is arranged at the end of the hollow pipeline in order to facilitate an impedance matching of the coil probe to the hollow pipeline.

Während die Erfindung in ihrer Anwendung auf Antennen beschrieben wurde, welche bei Frequenzen in der Größenordnung von 4000 MHz und höher arbeiten, können erfindungsgemäße Antennen ebenso für die Aussendung und den Empfang von Fernseh- und Hörrundfunkprogrammen bei hohen Frequenzen Verwendung finden. Für solche Zwecke weisen diese Antennen den Vorteil einer großen Bandbreite auf, welche etwa in der Größenordnung von 25*/ο (oder mehr) der mittleren Frequenz des Bandes liegt. Darüber hinaus ist der Gewinn der Antenne hoch. Die Antenne kann ebenso Signale empfangen, welche mit horizontaler oder vertikaler Polarisation ausgestrahlt werden. Es ist ferner eine nach allen Richtungen gleichmäßige Abstrahlung von zirkulär polarisierten Wellen möglich, wobei man vier Spulenantennen verwendet, welche in Intervallen von 90° strahlen und damit ein kreisförmiges Strahlungsdiagramm erzeugen. While the invention has been described in its application to antennas operating at frequencies Antennas according to the invention can also operate in the order of magnitude of 4000 MHz and higher for the transmission and reception of television and radio programs at high frequencies Find use. For such purposes, these antennas have the advantage of a large bandwidth, which are roughly in the order of 25 * / ο (or more) is the middle frequency of the band. In addition, the antenna gain is high. the Antenna can also receive signals that are transmitted with horizontal or vertical polarization will. It is also a uniform radiation in all directions of circularly polarized Waves possible, using four coil antennas, which radiate at intervals of 90 ° and thus create a circular radiation pattern.

Claims

Patent claims:

1. Coil antenna for broadcasting and receiving very short circularly polarized electrical signals Shafts embedded in an insulating material, characterized in that the diameter of the insulating material about half a wavelength of the middle frequency of the frequency band of the antenna.

2. coil antenna according to claim 1, characterized in that around the coil antenna, coaxial with this, a reflector with a cone-like or another towards the free end of the coil diverging shape is arranged.

3. Coil antenna according to claim 2, characterized in that the opening angle of the reflector is chosen to be approximately equal to 90 °.

4. coil antenna according to claim 2 or 3, characterized in that the aperture is approximated is chosen to be equal to or greater than an operating wavelength in free space.

References considered: U.S. Patent No. 2,630,530.

1 sheet of drawings