lijdschrift van het
Nederlands Radiogenootschap
DEEL 28 No. 1-2 1963
Symposium»
Toepassing en ontwerp van professionele antennes
G ehoud en op vrijdag 18 mei en vrijdag 25 mei 1962 in het D r. N e h e r L ab o rato riu m P T T . St. P a u lu s s tra a t 4 te Leidschendam .
H e t symposium w e rd voorbereid door een commissie b estaan d e uit de heren:
Prof. D r. Ir. J. L. Bordew ijk, voorzitter, D r. Ir. N . K nudtzon,
Prof. Ir. C. A. M uller, Ir. A. W . M . Paling,
Prof. Jhr. Ir. J. L. W . C. von W e ile r.
Een woord vooraf van de symposiumcommissie
H e t lijkt de symposiumcommissie nuttig bij h et in d ru k v e r
schijnen van de v oordrachten, gehouden in h e t k a d e r van het tw e e d a a g s antennesym posium op 18 en 25 mei van het vorige ja a r, een k o rte toelichting te schrijven, zowel als geheugensteun voor de deelnem ers, als voor diegenen die niet a an h et sym po
sium konden deelnemen en toch belangstelling voor de schrifte
lijke w eergave ervan bezitten.
Teneinde een voldoend grote kring uit ons beslist niet alleen uit antennespecialisten b e sta a n d genootschap te dienen, is er n a a r gestreefd h et accent van het symposium voornamelijk op het grensgebied van toepassing en o n tw erp te leggen en dus uitdrukkelijk geen leergang voor a n ten n eo n tw erp ers te organiseren.
Als them a voor h et symposium is dan ook gekozen h et ge
sp rek „g e b ru ik e r-o n tw e rp er" zoals d a t in de p rak tijk op diverse toepassingsgebieden p laatsv in d t.
Tengevolge van deze keuze kom t in de v o o rd rach ten van de
„g eb ru ik er" tevens de gehele entourage van de an tenn eto ep as- sing te r sp rak e voorzover deze m edebepalend is voor h et uitein-
2
delijke p ro g ram m a van eisen, d a t a an de „ o n tw e rp e r” w o rd t voorgelegd. H e t them a im pliceert min of m eer een overigens dringend noodzakelijke beperking to t professionele antennes.
V o o r het terrein van de ra d io ste rre k u n d e m oest het accent begrijpelijkerwijs iets verlegd w o rd en en w el n a a r de overgang
„astro n o o m -rad io -astro n o o m ” .
E en en a n d e r heeft, n a a r gehoopt w o rd t, hef symposium k u n nen vrijw aren voor een zekere eentonigheid, w a a r a a n men bij een serie v o o rd rach ten over een specialistisch gebied niet altijd kan ontkomen.
H e t leek wenselijk m et een „ p a n o ra m a ” d.w.z. een soort vogelvluchtverhaal w a a rin alle te behandelen an ten nety p es snel de revue passeren, te beginnen. H e la a s is een langdurige ziek
te van prof. jhr. ir. J. L. W . C . von W e d e r , lid van de sym- posiumcommissie, die m et dit „ p a n o ra m a ” de rij d e r symposium- sp rek ers heeft geopend, er de o o rzaak van d a t de publikatie van zijn v o o rd ra c h t niet in h et voor U liggende boekw erkje kon w o rd en opgenomen.
O m h et onm isbaar co n tact m et de theoretische grondslagen in het licht te stellen w as d a a rn a een v o o rd ra c h t voorzien die de w eg van theoretische grondslag to t ontw erpm ethode b e h a n delt. D eze v o o rd ra c h t g a a t th an s vooraan.
T enslotte leek het de commissie noodzakelijk als entrem et een v o o rd rach t over de zo moeilijke techniek van het m eten van antenne-eigenschappen in te vlechten.
D e uit voorgaande beschouwingen voortgekom en compositie, them a zowel als variaties, tre ft U th an s aan in een vorm, die n a a r de w ens d e r commissie, diegenen onder U van nut zal kunnen zijn, die zich op re latief eenvoudige wijze een beeld willen vorm en van de ontw ikkelingstendenzen op het gebied van de professionele antennes. D a a r n a a s t zullen ook ongetwijfeld de m eer ingewijden een a a n ta l in teressan te ideeën aantreffen van de in aangrenzende gebieden w erkzam e collegae.
Symposium: Toepassing en ontwerp van professionele antennes P ro g ram m a 18 mei 1962
10.30 uur: O pening door de voorzitter van het symposium.
10.40 uur:
Panorama
Prof. Jhr. Ir. J. L. W . C. von W e ile r, L E O K , O eg stg eest.
11.20 u u r:
Theoretische grondslagen
Prof. D r. Ir. J. P. Schouten, T .H ., D elft.
14.00 u u r:
Antennes voor navigatie en locatie
T o e p a s s i n g
Ir. R. A. K asp er,
L E O K , O egstgeest.
15.00 u u r: O n t w e r p
Ir. M . H . Bodm er,
N .V . H o llan d Signaal App., Hengelo.
15.40 uur:
Meten van antenne^eigenschappen
Ir. E. Goldbohm ,
N ed . R a d a r P ro efstatio n , N oordw ijk.
P ro g ram m a 25 mei 1962
10.00 u u r:
Antennes voor omroep en televisie
T o e p a s s i n g
Ir. P. H . Boukem a, P T T , D e n H a a g . 11.00 u u r: O n t w e r p
D r. R. G reif,
R ohde und Schw arz, M ünchen.
11.40 u u r:
Communicatie^antennes
T o e p a s s i n g
D r. Ir. N . K nudtzon, S A D T C , D e n H aag .
4
14.00 uur: O n t w e r p
Ir. H. J. Kramer, P.T.I., Hilversum.
15.00 uur:
Antennes voor radio~astronomie P r o b l e e m s t e l l i n g
Prof. Dr. C. de Jager, R.U., Utrecht.
15.40 uur: R a d i o t e c h n i s c h e m o g e l i j k h e d e n Prof. Ir. C. A. Muller,
Radiosterrenwacht, Dwingeloo.
16.20 uur: S l u i t i n g
Deel 28 - No. D 2 ~ 1963 5
Theoretische grondslagen
door J. P. Schouten *)
1. Inleiding
O m te kunnen spreken van de theoretische grondslagen van de eigenschappen van antennes dient men zich in de eerste p laats te bezinnen op de v ra ag w a t men o nder een „an ten n e” v e r
s ta a t of m oet v erstaan . M e n k a n w el vaststellen, d a t zend
antennes inrichtingen zijn om elektrom agnetische golven, die elders w o rd en opgew ekt, d o elb ew u st uit te stralen in de ruimte, to t voor k o rt steeds de atm osfeer th an s ook w el de w e re ld ruimte, m a a r ook w el in de n au w begrensde ruim te, zoals het inwendige van een golfpijp, m a a r eveneens langs een geleider of langs geleidende vlakken in de vorm van z.g. o p p e rv la k te golven. Bij de radio-om roep en bij de uitzending van televisie
signalen zit vrijwel altijd de bedoeling voor om een groot a a n ta l ontvanginrichtingen te bereiken, die zich dicht bij het a a r d oppervlak bevinden. Bij an d ere doelstellingen g a a t h et er v aak om de u itg estraald e energie zoveel mogelijk op één ontvangin- richting of één v o o rw erp te richten. D aarb ij stre e ft men er dan n a a r de straling zoveel mogelijk te bundelen. Tegenover de zend-antennes staan dan de ontvang-antennes, die door de elektrom agnetische velden w o rd en beïnvloed, uit de elek tro m ag netische golven energie opnemen en a an ontvanginrichtingen toevoeren.
D e vele doelstellingen die er zijn, de gebruikte frequenties, de eigenschappen van de atm osfeer, en de invloed van de aard e, factoren die de wijze van v o o rtp lan ten van de golven in sterke m ate bepalen, hebben geleid to t een zeer grote verscheidenheid van antennes. V ele typen brengen hun eigen problem en m et zi ch mede en het is w e lh a a st ondoenlijk om hiervan in één uur ook m a a r een globaal overzicht te geven.
Indien w e ons in eerste aanleg b ep erk en to t de zend-anten- nes, dan is w el een klassificering te geven van de theoretische v raag stu k k en , die zich hierom groeperen. K ennen w e eenm aal de zendeigenschappen van een antenne, dan stelt de theorie ons
*) Technische Hogeschool, D elft.
6 J. P. Schouten in s ta a t om ook de eigenschappen van de betreffende antenne als ontvangantenne gebezigd, te overzien. H e t is gebruikelijk om de probleem stelling in zover te vereenvoudigen, d a t men de antenne in de vrije ruim te g ep laatst d en k t en dus de compli
caties, die de atm osfeer en de a a rd e veroorzaken, voorlopig buiten beschouw ing laat. D e elektro-m agnetische golven breiden zich dan dus uit in een homogeeen en isotroop medium.
D e grondslagen voor de theoretische beschouw ing van een b ep aald e antenne, w aarbij men er u ite ra a rd n a a r stre e ft m iddelen in de hand te krijgen om de v o o rn aam ste eigenschappen van een zodanige antenne rekenenderw ijs vooruit te bepalen, vorm en vanzelfsprekend de fundam entele w e tte n van de elektriciteits
leer. D eze w e tte n hebben b etrek k in g op elektromagnetische velden.
M e n k an stellen, d a t alle elektrom agnetische verschijnselen door vectorvelden w o rd en w eergegeven. Z o n d e r in te gaan op defi
nities van de verschillende grootheden kunnen we zeggen, d a t men in h et algemeen in elk p u n t van de ruim te vier vectoren m oet kunnen aangeven w a a rv a n er tw ee (E en D) het elek tri
sche veld b epalen en tw ee andere (H en B ) h et m agnetische veld. D eze velden hangen m et e lk a a r sam en en m et in de ruim te optredende strom en en ladingsverdelingen.
D eze sam enhang kom t to t uiting in de fundam entele vergelij
kingen van de elektriciteitsleer. In differentiaalvorm w o rd en ze de vergelijkingen van M a x w e ll genoemd. In v ecto rn o tatie w o rd en ze als volgt w eergegeven:
v x / / = / + —
V X £ = d B dt
V . D = Q D =
V . B = o B +
P geeft de elektrische polarisatie, M de m agnetisatie, J de stro o m dichtheid en q de ladingsdichtheid w eer. In een homogeen en isotroop en niet geleidend medium geldt w el D = e E, B = /li H m et e en ju constanten.
In d a t geval w o rd e n de vergelijkingen:
V X i / = / + £ - of V X H-e— = v . £ = ^ - dt
(B)
Üt
V X ^ + M — = o DH V .H — o .
Theoretische grondslagen
7
In deze vergelijkingen ziet men nu het stroom veld J en de ladingsdichtheidsverdeling q als de grootheden die h et veld op
w ekken. D e grootheden J en q kunnen niet onafhankelijk van e lk a a r w o rd en gekozen d a a r ze m oeten voldoen aan de „conti
nuïteitsvergelijking” : V . / + — = o. M en k an deze vergelijking ook in te rp re te re n als een „ tr a n s p o r t” vergelijking in deze zin, d a t veranderingen in q alleen kunnen optred en als er een t r a n sp o rt van ladingen door middel van strom en optreedt.
E r zijn sta n d a ard m e th o d e n om h et stelsel (B) formeel op te lossen. M en is gew end dit te doen door het invoeren van „po ten tialen ” (een v ecto rp o ten tiaal en een scalaire potentiaal). E en a a n ta l problem en uit de antennetheorie kunnen m et deze v e r
gelijkingen w o rd en behandeld. In de eerste p la a ts de straling van een elem entaire elektrische dipool, van een m agnetische dipool („kleine” kringstroom ) en van lineaire stra le rs voor zover men de stroom verdeling d a a rv a n k priori k en t of m eent te kennen.
D aarb ij v ero n d erstelt men w el steeds d a t de strom en, ladingen en het elektrom agnetische veld harm onisch m et de tijd variëren m et een vaste hoekfrequentie co. E én van de moeilijkheden, die men ondervindt bij deze soort berekeningen is wel, d a t het niet goed mogelijk blijkt deze aanschouw elijk af te leiden. D it is een gevolg van de koppeling van de elektrische en magnetische velden met e lk a a r en m et de ladingen en strom en die de straling op
w ekken en wel op zodanige wijze, d a t er geen aanschouw elijk (mechanisch) model is a an te geven m et behulp w a a rv a n men de vergelijkingen kan in te rp re te re n en afleiden. D it h an g t w e e r samen m et het feit, d a t men er niet in kon slagen ether-m odel- len en ethertheorieën op te stellen.
2. Dipoolstralers
Bezien w e nu de straling van een elem entaire elektrische dipool, dan komen w e m et behulp van een relatief eenvoudige analyse to t een voorstelling van het opgew ekte elektrom agne
tische veld. D en k en w e ons de dipool gerealiseerd door tw ee dicht bij e lk a a r gelegen elektrische ladingen van gelijke grootte en m et tegengesteld teken, dan tre e d t in het statische geval een gemakkelijk te berekenen elektrisch veld op.
All es d r a a it er nu om, d a t men deze ladingen bij een vaste gegeven a fsta n d er tussen niet m et de tijd k an laten v eran d eren zonder d a t er een tra n s p o rt van ladingen optreed t, d a t wil zeggen,
8 J. P. Schouten er kom t een stroom of convectie van ladingen in het spel, die een magnetisch veld opw ekt. E en stroom elem ent, te r ste rk te I (ampère), m et lengte l (m) geeft in een p u n t P op a fsta n d R , onder een hoek 0 m et het stroom elem ent de m agnetische veld-
I SZH 0
ste rk te — / / . ---— {A /m ). D it geldt slechts voor het geval /
4 Ti R
niet m et de tijd v e ra n d e rt. In h et dynam ische geval kom t er een term bij, die van de orde l/R is.
M e n k a n dit eenvoudig v e rk laren indien men er van uit gaat, d a t alle w erkingen zich m et de lichtsnelheid in h e t medium u it
breiden. H e t is dan ook niet moeilijk h et complete veld te b e rekenen. Hierbij moet men w el bedenken, d a t de steeds a a n wezige com ponenten van het elektrische veld in radiale richting hierbij noodzakelijkerw ijs in de beschouw ingen m oeten w o rd en betrokken.
D e berekening k an w o rd en g eb aseerd op een uitbreiding van de w e t van B iot en Savarfc voor m et de tijd variërende velden.
D e w e t van B iot en S a v a r t k an w o rd en geschreven als volgt:
d H = - L v x k L ! H = — c u r l f ^ d v
4 71 R 4 71 R
v
[ J ] b etek en t, d a t de g e re ta rd e e rd e w a a rd e n van J moeten w o r den gebruikt. V o o r punten w a a r J — O geldt dan
d E I • m
B t 4 TIE curl citri
R d v .
V
Bij harm onische v eran d erin g van de veldgrootheden m et de tijd en complexe schrijfwijze
- - j k R
H — —— curl I —---dv
E = J
4 Tieco
4 71
curl curl
V
J e R
- j k R
R dv . + j. J
CD £
v
M e t behulp van deze vergelijkingen vinden w e zonder moeite het ve id van een elektrische dipool. H e t veld van een kleine kringstroom of m agnetische dipool k a n eveneens w o rd en berekend.
O n d e r m agnetisch moment van een kleine kringstroom v e rsta a n w e h et p ro d u k t O . i> w aarbij O h et o p p erv lak van de stro o m kring v o o rstelt en i de stroom in de kring.
Theoretische grondslagen
3. De lineaire antenne
9
Lineaire antenes zijn door vele onderzoekers b estu deerd . W a t men nodig heeft is een theorie voor slanke geleiders van eindige
lengte.
H ie ra a n heeft vooral H allen g e w e rk t en la te r ook King, S to re r, Tai, D u n can and Hinchey, Tai Tsun W^u en nog vele anderen.
B eschouw en w e een, in h et midden gevoede lineaire straler.
M en neem t dan v a a k aan, d a t de stroom verdeling k an w o rd en opgevat als een sta a n d e golf m et stro o m w a a rd e nul aan de einden en d a t de voortplantingssnelheid van de stroom golven langs de geleiders gelijk is aan de lichtsnelheid. D it geeft a a n leiding to t de zg. „elem entaire an ten n e-th eo rie” . D e aannam e o m tren t de stroom verdeling is niet goed gefundeerd en w o rd t door strenge beschouw ingen niet bevestigd.
D e meer consequente beschouw ingen van H allen voeren to t een integraalvergelijking. Stellen w e
— - j k R
A=^-f l L ---dv 4 n i B
dan is te bewijzen, d a t ook moet gelden
E =
— — {V (V .
A) + R A } . j ECO jUS ta a t J in de dunne d ra a d in hoofdzaak in de ^-richting (lengterichting van de d raad ), dan A ook.
R z binnen de v o lm aak t geleidende d ra a d m oet nul zijn. D u s binnen de d ra a d geldt
--- x 2 k A z — o .
d Z
V o o r A z geldt dus
A z = A cos kz + B sin k z .
D e grootheid A z geeft dus aanleiding to t golven m et licht
snelheid. D it geldt niet voor de stroom . E en en a n d e r geeft aanleiding to t een integraalvergelijking van de g edaante
exp [ — j k i (z — £)2 + a i ( z - i f + a
A sin k z + B cos kz = / ( f )
10 J. P. Schouten w a a rin a de stra a l van de geleider voorstelt. In de b e h a n d e
ling van deze integraalvergelijking is zeer veel w e rk gestoken.
M en heeft door iteratie b en ad eren d e oplossingen gevonden. O o k heeft men and ere m ethoden beproefd. D e overeenkom st m et experim enten is voor I ^ 0.8 X n a a r het schijnt niet onredelijk.
V o o r grotere lengten k lo p t er niet zo heel veel van.
4. V la k k e s tra le rs
S ta p p e n w e over n a a r antennes m et m etalen oppervlakken, dan denken w e in de eerste p la a ts a a n m etalen spiegels, die een deel van een om w entelingsparaboloïde vormen, k o rtw e g ge
zegd : parabolische spiegels. D e bedoeling is u ite ra a rd om de energiestraling te bundelen. D e n k t men in het b ra n d p u n t een stralin g sb ro n aanw ezig, b.v. een dipool of een hoorn, dan k an men tra c h te n het totale elektrom agnetische veld te bepalen. M en behoeft niet te hopen van dit probleem een exacte oplossing te vinden. In feite hebben we te m aken met een diffractievraag- stuk. M e n k an tra c h te n h et probleem te b en ad eren door to e passing van een „ re p re se n ta tie th e o re m a ” .
E en zodanig theo rem a geeft een exacte form ulering van het
„beginsel van H u y g en s” voor elektrom agnetische velden. M e n kan dit beginsel als volgt fo rm u le re n : K e n t men op een, min of m eer glad, gesloten oppervlak, d a t alle stralingsbronnen om
vat, de tangenti'ële com ponenten van het elektrische en van het magnetische veld, dan kan men het veld buiten dit oppervlak,
uit deze gegevens alleen, berekenen.
M en vindt voor b.v. het m agneetveld in een van de form uleringen van het beginsel
_ , _ - j k R
H (P ) = — curl / (n X H 0) ----d S +
4 ie J R
H--- curl curl j (n X E 0) --- d S .
4 jz co ju I R
s
V o o r punten P binnen 6" geeft deze uitdrukking de w a a rd e nul, in overeenstem m ing m et het beginsel van H u y g en s. M en kan hier de grootheden n X E 0 en n X H 0 o p v a tte n als de „b ro n - n en ” van h et ve ld.
D aarb ij k an n X H Q w o rd en g e ïn te rp re te e rd als een „ o p p e r
vlakte lineaire stroom dichtheid’\ In analogie d aarm ed e k an men
Theoretische grondslagen
11
— « X A0 o p v atten als een magnetische o p p erv lak te stroom dicht
heid.
M e n dient de d raag w ijd te van dit beginsel n ie tte overschatten.
D e grootheden ; / X ^ 0 en n X E 0 zijn niet onafhankelijk van elkaar.
A an de Technische H ogeschool te D e lft zijn een a a n ta l studies om trent de parabolische spiegel gem aakt. D aarb ij w erd v e r
ondersteld, d a t de spiegel volm aakt geleidend is en d a t de r e flectie van h et invallende veld op de spiegel plaatselijk dezelfde relaties geeft als bij een vlakke spiegel.
D e o p tred en d e integralen zijn voor het geval d a t de bron d oor een elektrische dipool w o rd t gevorm d exact berekend.
M e n vindt ingew ikkelde uitdrukkingen, die het totale veld b e schrijven. Deze studie is la te r voortgezet om te tra ch te n re d e lijke benaderingen van deze ingew ikkelde uitdrukkingen te vinden.
In beginsel is dit w el gelukt, doch een num erieke uitw erking en experim entele controle is nog niet voltooid.
O p g e m e rk t dient te w orden, d a t Z u h r t analoge re su lta ten heeft gepubliceerd. O nze uitkom sten w erd en onafhankelijk van Z u h r t verkregen.
V o o r het geval, d a t het vlak van de ra n d van de p arab o o l d oor het b ra n d p u n t gaat, kunnen w e hier sommige uitkom sten van onze berekeningen geven. V o o r de verhouding van de veld
ste rk te op de as to t die van de directe dipoolstraling vinden we ---, w aarbij D de diam eter van de p a rab o o l voorstelt. V o o r7t D
2 l
de h a lfw a a rd e b re e d te van de hoofdbundel in een axiaal vlak loodrecht op de dipool vinden we
0.7 l sin &h =
D
D e rep resen tatie theorem a's kunnen w o rd en to e g e p ast voor de benaderende berekening van straling van hoorns e.d.
E en belangrijk o n d e rw erp vorm t ook de spleet-antenne, w aarbij een groot a a n ta l spleten in de w a n d van een golfpijp zijn a a n gebracht. D e theorie hiervan is verre van eenvoudig. M e n v o r
d e rt langzaam, d a a r men m oet zoeken n a a r vereenvoudigende a a n nam en en b en ad eren d e m ethoden. In vele gevallen heeft men m et behulp van zg. ,,statio n aire uitdrukkingen" bijzonder fraaie re su lta te n verkregen.
Manuscript ontvangen 9 augustus 1962.
_____
Deel 28 ~ No. D 2 - 1963 13
Antennes voor navigatie en locatie
door R. A. Kasper * )
1. Antenne-eigenschappen en hun invloed op de radar
1.1. De antenneverster king
D e an ten n ev ersterk in g is de versterking, die de antenne in één b ep aald e richting geeft ten opzichte van een isotrope straler.
D e an ten n ev ersterk in g is van invloed op h et a fsta n d sb ere ik van de r a d a r (zie verg. 6).
D e maximale an ten n ev ersterk in g is 4 7i A
(i) In deze formule is A het effectieve antenne-oppervlak (A B C D ). Bij een uniforme veld- verdeling over het antenne- oppervlak is h e t effectieve op
p erv lak gelijk aan het w e rk e lijke oppervlak. In de p rak tijk w o rd t deze uniforme verdeling niet to eg ep ast (zie par. 1 .2) en is het effectieve o p p erv lak onge
veer 30 °/0 - 90 % van het w e r kelijke oppervlak.
V e r d e r ziet men, d a t de an ten n ev ersterk in g om gekeerd even
redig is m et k2. Bij kleinere golflengtes w o rd t de a n te n n e v e r
sterking voor een gegeven antenne-oppervlak g ro ter; de ab so rp tie van de ra d a rs tra lin g in de lucht neem t ech ter toe bij een kleinere golflengte. D e keuze van de golflengte m oet in elk geval a p a r t bekeken w o rd en en h angt af van de eisen, die men a an het r a d a r a p p a r a a t stelt.
E r is ook een m ethode om de an ten n ev ersterk in g te bepalen uit h e t horizontale en het vertikale antennediagram .
D e maximale an ten n ev ersterk in g is ^ 71
'-H A V (2)
L aboratorium voor Elektronische O ntw ikkelingen voor de K rijgs
m acht, O egstgeest.
14 R. A. Kasper
A ntennebundel in de ruim te
Indien de F-as de richting van de maximale an ten n ev erster- king is, d an is A y het genorm eerde oppervlak ( Y max = l) van de vertikale doorsnede van de antennebundel in het F^T-vlak en A h is het genorm eerde o p pervlak ( Y m a x — i) van de horizontale doorsnede van de antennebundel in h e t vlak X Y . V o o r de a f
leiding van formule (2) is aangenom en, d a t de doorsneden van de antennebundel, m et vlakken door de ^ -a s, gelijkvormig zijn m et A y en evenzo de doorsneden van de antennebundel m et vlakken door de X -sls gelijkvormig m et A # .
Als g ebruiker van de r a d a r stelt men bep aald e eisen aan de horizontale en vertikale doorsnede van de antennebundel.
U it deze gegevens volgt d an volgens (2) een maximale antenne- versterking. D eze v ersterk in g is m eestal I to t 1,5 d B g ro ter dan de gem eten w a a rd e . D it kom t om dat er verliezen zijn door de straling in de zijlussen van de antenne, en om dat h et w e r kelijke ruimtelijke antennediagram niet helem aal a an bovenge
noemde gelijkvormigheidseisen m et A h en A y voldoet.
1.2. De antennebundelbreedte en het zijlusniveau
1.2.1. D e v e 1 d v e r d e 1 i n g o v e r h e t a n t e n n e - o p p e r v l a k D e a n te n n eb u n d elb reed te (gem eten tussen de 3 d punten) en h e t antennezijlusniveau w o rd e n b e p a a ld door de veldverdeling in de antenne-opening. (O p p e rv la k A B C D in figuur 1.)
E en laag zijlusniveau is vereist om verb red in g van de impulsen van dichtbij-echo s te voorkom en.
D it is belangrijk voor h et hoekonderscheidingsverm ogen en de
Antennes voor navigatie en locatie
15
hoeknauw keurigheid. Bij een hoog zijlusniveau kunnen grote doe
len, die een sterke echo geven, een ring schrijven op het beeld
scherm. O o k is men bij een hoog zijlusniveau gevoeliger voor storingen van zenders die op dezelfde frequenties w erken.
E en eis voor de eerste zijlussen is, d a t deze 20 k 30 d B be
neden h et niveau van de hoofdlus liggen. D e veldverdeling in de antenne-opening m oet dan, zoals volgt uit fig. 1 op blz. 31, cos- of cos*-vormig zijn. Indien men de an ten n eb u n d elb reed te kent, d an volgt ook uit deze veldverdelingen de diam eter van de a n tenne-opening n.1.
82 k dB
@3dB — de b u n d elb reed te in graden.
D = de diam eter van de antenne-opening.
k = de golflengte.
1.2.2. H e t h o e k o n d e r s c h e i d i n g s v e r m o g e n
D e an ten n eb u n d elb reed te is van belang voor h et hoekonder- scheidingsvermogen. I w e e doelen, die zich binnen een a n te n n e b u n d elb reed te op dezelfde a fsta n d van de antenne bevinden, k an men niet m eer als 2 afzonderlijke doelen w aarnem en. H e t hoekonderscheidingsverm ogen is ongeveer gelijk a an de an ten n e
b u n d elb reed te gem eten op de 3 d B punten.
V o o r een goede hoekonderscheiding m oet ook het anteunezijlus- niveau klein zijn.
16
R. A. Kasper 1.2.3. D e h o e k n a u w k e u r i g h e i dD e an ten n eb u n d elb reed te is ook van invloed op de hoek- nauw keurigheid. Als de antenne n om wentelingen p e r minuut m aakt, d an is h et a a n ta l pulsen op een doel binnen de 3 d B a n te n n e b u n d e lb re e d te :
f — pulsherhalingsfrequentie in H z.
71 = antenne-om w entelingen p e r minuut.
0 = 3 d B b u n d elb reed te in graden.
D e hoeknauw keurigheid is een functie van de an ten n eb u n d el
b reed te het a a n ta l pulsen p e r doel N p en van de signaal- ruisverhouding (S / N ).
D e minimale spreiding in hoeknauw keurigheid 6o
71
ƒ .0 ƒ .0
360 6 .71. (4>
onun = 0 , 9 0 3 dB
y % s [n
1.3. De 07nwe7iteli7igss7ielheid vci7i de ci7ite7i7ie
D e antenne-om w entelingssnelheid b e p a a lt de intervaltijd tussen opeenvolgende inform atie van een doel (d a ta rate).
H e t v e rb an d tussen om w entelingssnelheid en h o ek n au w k eu rig heid, w a s reeds in par. 1.2.3. aangegeven.
1.4. De „ radarvergelijki7ig99 eTi de a7ite7megroothede7i
D e radarvergelijking w o rd t gebruikt om h e t maximale afstands- bereik te berekenen.
P z G
2 .
)éR <■ = o
(4^)3 F K T B L ( S / N) (
6
) R = m axim aal afstan d sb ereik .P z = piekverm ogen van de zender.
G = antenneversterking.
o = reflecterend o p p erv lak van het doel.
F = ruisgetal van de ontvanger.
B = b a n d b re e d te van h et on tv an g k an aal.
K = co n stan te van Bolzmann.
T = absolute om gevingstem peratuur.
L = verliezen van duplexer-golfpijp etc.
S / N = signaal ruisverhouding, die nodig is om een doel te d etecteren m et een b ep aald e w aarschijnlijkheid (bijv.
Pd = 50% ) bij een bep aald e w aarschijnlijkheid van een vals alarm (bijv. F alse A larm R a te F A R = 10- 6).
Antennes voor navigatie en locatie
17
S / N
Flg. 4
Signaal-ruisverhouding als functie van het aantal pulsen per doel
In figuur 4 is de signaal ruisverhouding uitgezet, die nodig is voor Pd — 5° % en een F A R — IO-6 als funtie van h et a a n ta l pulsen p e r doel.
U it de vergelijking (6) k an men de invloed van diverse antenne- grootheden (o.a. antenneversterking, pulsen p e r doel etc.) n ag aan op het a fsta n d sb ere ik van de ra d a r.
2. Rondzoekantennes
R ondzoekantennes zijn antennes, die continu de ruimte aftasten.
In het geval, d a t van de positie van een doel slechts 2 coördinaten b ep aald hoeven te w o rd e n : bijvoorbeeld a fsta n d en azimuth, is h e t een 2 ZZ-antenne (2 dimensies).
D e a fsta n d w o rd t verkregen uit de tijdmeting tussen zend- inpuls en de echo van het reflecterende doel. D e azim uthhoek w o rd t b e p a a ld uit de stan d van de antenne in de ruimte.
2.1 . 2D-ante?mes voor scheepsnavigatie en w aarschuw ing
Bij scheepsnavigatie liggen de doelen, die men wil w aarnem en, te r hoogte van het zee-oppervlak. A an h et verticale bundeldia- gram hoeven geen bijzondere eisen gesteld te w orden. Bij een ongestabiliseerd antenne-platform k a n men eisen, d a t de v e rti
cale b u n d elb reed te zo groot is, d a t tijdens het slingeren en stam pen van h et schip de zeedoelen in de an ten n eb u n d el blijven.
H e t hoekonderscheidingsverm ogen en de hoeknauw keurigheid
18
R. A. Kasper hangen van de horizontale b u n d elb reed te (&h) en de om wentelingssnelheid (n om w entelingen p e r minuut) af. (Zie par. 1.2.2. en 1.2.3.).
D eze antennes w o rd en uitgevoerd als K aasan - tennes en reflectoranten- nes (fig. 6).
Als golflengte w o r d t 3 cm gekozen. H e t a fsta n d sb ere ik is niet
antenne platform
zo groot, d a t de ab so rp tie in de lucht van de 3 cm straling hinderlijk is. D e antenne-afm etingen zijn bij deze golflengte klein.
Voorbeeld G e g e v e n s :
Golflengte À = 3 cm.
H orizontale b u n d elb reed te @H = 2°.
V erticale bundelbreedte @v - 15°.
Antenne-zijlusniveau = — 20 d B .
A ntenne-om w entelings snel heid n = 20 p e r minuut.
M ax im aal afstan d sb ereik B max = 30 n.m.
Indien de maximale a fsta n d gelijk is a a n 75% van de ^ijd tussen 2 zendpulsen, dan k an de pulsherhalingsfrequentie 2000 H z zijn. U it de verschillende form ules k a n men nu de diverse a n tenne- en ra d a rg ro o th e d e n bepalen.
A ntenne-afm etingen : A n ten n ev ersterk in g : H oekonderscheidingsverm ogen:
A a n ta l pulsen p e r doel : Signaal-R uisverhouding voor
Pd = 5o% :
H o ek n au w k eu rig h eid :
D a t a ra te :
IIO cm X I 5 cm (zie verg. 3).
30 d B (zie verg. 2).
2° (zie par. 1 .2.2.).
33 (zie verg. (4).
— 2 d B (zie fig. 4).
0,4° (zie verg. (5).
3 sec. (zie par. 1.3).
2.2. 2 D-antennes voor vliegtuigw aarschuw ing en navigatie
Antennes voor navigatie en locatie
19
Indien men m et een ra d a rin sta lla tie op de grond (vliegveld) vliegtuigen wil w aarnem en, k an men voor de w aarnem ing alleen m et 2 coördinaten (a fstan d en azimuth) volstaan. V o o r d e hoogte bepaling m a a k t men gebruik van een hoogtem eetantenne. V o o r de w aarsch u w in g san ten n e ste lt men als eis, d a t de vliegtuigen die zich binnen een b ep aald e hoogte boven het a a rd o p p e rv la k bevinden, to t een gegeven maximale a fsta n d w a a rn e e m b a a r m oeten
zijn.
H e t vertikale diagram moet dan aan een bep aald e vorm vol
doen: de cosecans vorm. (fig. 7)
D e antennes w o rd en uitgevoerd als reflectorantennes. Als golflengte k an IO cm en 25 cm gekozen w orden. E en kleinere golflengte heeft teveel abso rp tie in de lucht en bij een grotere golflengte w o rd en bij een vereiste bundelvorm de antenne-af- metingen te groot.
R a h .C O I C C «f
Cosecdiagram A ntenne reflector en prim aire voeder
Voorbeeld G e g e v e n s :
G olflengte 1 — IO cm.
H o rizo n tale b u n d elb reed te © H = U5°
Antenne-zijlusniveau = — 30 dB . M axim ale hoogte hri,m a x = 40.000 ft.
M ax im aal afstan d sb ereik B max = IOO n.m.
A ntenne-om w entelingssnelheid n = lO p e r minuut.
U it h et m axim aal a fsta n d sb ere ik volgt een pulsherhalingsfre- quentie van ÓOO H z.
20 R. A. Kasper De verafopeningshoek is hm ax 40.000// 0,305.57,3
= 3.8°.
R m a x IOO n.m. 1852
D eze openingshoek is van belang voor de bepaling van de vertikale afm eting van de antenne-opening.
U it de verschillende formules k a n men w e e r de diverse a n tenne- en ra d a rg ro o th e d e n bepalen.
A ntenne-afm etingen A ntenne versterking
H oekonderscheidingsverm ogen A a n ta l pulsen d e r doel
Signaal-R uisverhouding voor Pd = 50%
H oek n au w k eu rig h eid D a t a ra te
55° cm X 220 cm (zie verg. 3).
32 d B (zie verg. 2).
1, 5° (zie par. 1 .2.2).
I 5 (zie verg. 4).
+ I d B 0.30 6 sec.
(zie fig. 4).
(zie verg. 5).
(zie par. 1.3).
2.3. Hoogte-meetanteimes
Indie n men behalve a fsta n d en azimuth ook de d erde coördi
n a a t: de elevatie van een doel w il w eten, dan m a a k t men ge
bruik van een hoogte-m eetantenne. D e hoogte-m eetantenne w o rd t in de goede azim uthrichting g e p la a tst m et behulp van de w a a r- schuw ingsantenne en ta s t dan m et een bundel die klein is in vertikale doorsnede, in een op en n eergaande bew eging de ruim te af, om zo de juiste elevatie-hoek te bepalen.
A an het an ten n ed iag ram w o rd en de volgende eisen gesteld:
E en kleine elevatieb u n d elb reed te ( Q y) om een goed elevatieon- derscheidingsverm ogen en een grote elevatie-hoeknauw keurigheid te verkrijgen. D e horizontale bu n d elb reed te (0//) m oet zo groot zijn, d a t het te m eten doel niet uit de anten n eb u n del loopt (ge-
frequentieverandering E levatiesturing door faseveranderingFig. 9
Antennes voor navigatie en locatie
21
durende de hoogtemeting) en d a t er ook to e la a tb a re fouten van de juiste azim uth-richting mee opgevangen kunnen w orden.
D e hoogte-m eetantennes w o rd en als reflectorantennes opge
bouw d. M e n kan m et deze antennes de ruim te op een m echa
nische m anier a fta s te n door de gehele reflector in elevatie op en neer te bew egen. H e t is ook mogelijk de ruim te op een elektronische m anier af te tasten . D it g eb eu rt door de fase tussen de verschillende stralingselem enten van de prim aire voeder te veranderen.
In figuur 8 ziet men een opstelling, w aarbij de elektrische lengte tussen de stralingselem enten van de prim aire voeder a f
hankelijk is van de frequentie. D e antennebundel k an men dan eleveren door de zendfrequentie van puls to t puls te variëren.
H e t is ook mogelijk om de fase van de stralingselem enten m et behulp van ferrieten te veranderen, zoals men in de opstelling in figuur 9 ziet.
3.
De
tt3 D ”-antennes
E en 3 Z kantenne, is een antenne die continu de ruim te a fta s t en gelijktijdig inform atie geeft over azimuth, elevatie en af
stand.
Voorbeeld:
W a t is de hoeknauw keurigheid van een ro n d d raaien d e pencilbeam -antenne ?
Gegevens:
M axim ale elevatiehoek : 30°.
M ax im aal afstan d sb ereik • — IOO n.m.
H orizontale bundelbreedte : &H = 2°.
V erticale b u n d elb reed te : = 2°.
A ntenne-om w entelings snelheid : n — 5 p e r minuut.
Bij het maximale a fsta n d sb e re ik h o o rt een pulsherhalingsfre- quentie van 6oo Hz.
. 360° 30°
H e t a a n ta l af te ta ste n ruim te-elem enten is ---V = 2700.
0H 0 K
H e t a a n ta l zendpulsen gedurende een antenne-om w enteling is 12 sec. X 600 H z = 7200. H e t a a n ta l pulsen p er doel is dus 7200
2700 = 2,6 .
Bij 2,6 pulsen p e r doel zijn ƒ 2,6 = 1,6 puls p er doel in ele
vatie en 1,6 puls per doel in azimuth beschikbaar.
D e signaalruisverhouding die nodig is voor een detectie w a a r schijnlijkheid van S°% 9 d B (zie fig. 4).
D e hoeknauw keurigheid in azimuth zow el als in elevatie is volgens verg. 5 : 0, 5°.
D eze ro n d d raaien d e pencilbeam antenne heeft h et voordeel, d a t ze van alle doelen, in een elevatiegebied van o° to t 30° en in een 360° azim uthgebied, d irect de hoekinform atie in azimuth en elevatie gedurende iedere antenne-om w enteling geeft.
M e n ziet echter, d a t h et a a n ta l pulsen p e r doel klein is en d a a rd o o r ook de hoeknauw keurigheid niet groot.
M e n k an de hoeknauw keurigheid opvoeren door a. kleinere sectoren a f te tasten.
b. de d a ta ra te te verlagen, dus geringere antenne-om w ente- lingssnelheid.
c. uitgebreidere a p p a ra tu u r.
Indien men bijvoorbeeld 4 antennes heeft d an k a n elke a n tenne 90° in azimuth a fta ste n en heeft men een ]/ 2 m aal zo grote nauw keurigheid in azimuth en elevatie.
H e t is ook m oge
lijk de h o ek n au w k eu righeid op te voeren
Verschillende frequentiepulsen vormen door gelijktijdig v e r
een zendpuls schillende bundels in
elevatie uit te sturen.
D it k an men elektronisch doen door de zendpuls in verschillende frequentiepulsen te verdelen (zie figuur 10).
E r w o rd e n dan gedurende één zendpuls verschillende eleva- tiehoeken afgetast. In het m iddenfrequentgedeelte van de o n t
van g er kunnen de signalen uit de verschillende antennebundels gesplitst w orden. Stel, d a t men p er zendpuls IO elevatiebundels gelijktijdig uit uitzeedt, dan w o rd t de hoeknauw keurigheid in elevatie en azimuth een fa cto r / i o g ro te r d an w a n n eer slechts één elevatiebundel p e r zendpuls uitgezonden w as.
In figuur 11 is een opstelling getekend, w a a rin men m et een antenne elektronisch een ruim tegebied van bijvoorbeeld 9°° azb m uth en 30° elevatie k a n afstasten. D e antenne s ta a t d an stil en de azim uthsturing van de an tennebundel w o r d t verkregen door de variatie in zendfrequentie en de elevatiesturing door de fasev eran d erin g van de stralingselem enten m et behulp van ferrieten. M e t 4 van zulke antennes k an men de 360° azimuth
22 R. A. Kasper
F 1 F2 F3 F4 — Fn
Antennes voor navigatie en locatie
23
Vermogenverdeler
(pi
<P 2
<fn r r m .
Opgevouwen wovegulde
— • — • --- • —
Ontvonger
—
Duplexer
Ferriet sturing
Zender Freq stu rin9
Fig. 1 1
Elektronische ruim te-aftasting (fase-frequentie)
aftasten . Bij dit antennecom plex zijn er geen mechanisch ro te re n de gedeelten en men kan de antennes v a st opstellen.
4. Volg antennes
E en antenne, die een gegeven doel onafgebroken volgt, geeft op ieder ogenblik een plaatsb ep alin g van h et doel. V o o r een nauw keurige p laatsb ep alin g m a a k t men gebruik van antenne- bundelschakeling. V o o r zeedoelen k an men m et een bundelschake- ling in h et horizontale vlak volstaan.
V o o r luchtdoelen, w aarbij men de drie coördinaten wil b e palen zal men in minstens 2 vlakken m oeten bundelschakelen, om de juiste azimuth- en elevatiehoek te bepalen.
H e t schakelen k an op een mechanische wijze of op een elek
tronische wijze p la a ts vinden.
4.1.
Mechanische antenne-bundehchakehngAls men de ,,nozzle” v an de antenne la a t roteren , o n ts ta a t er een conische antennebundel. Als de nozzlerotatie 5° H z is en de pulsrepetitiefrequentie 2000 Hz, dan w o rd e n er gedurende een ro ta tie 2°°~- = 40 pulsen ontvangen.
D e ontvangen 40 doelecho s hebben een am plitudem odulatie 5°
van 50 Hz. D e elevatie- en azim uthhoek van h et doel t.o.v. antenne- as kunnen w o rd en b e p a ald uit de am plitude en de fase van de echom odulatie. D e hoekm form atie w o rd t hier dus gehaald uit
24
R. A. Kasperde am plitudevergelijking van de opeenvolgende écho s in het videogedeelte van de ra d aro n tv a n g e r.
In fig. 12 ziet men, d a t als h e t doel op de antenne-as ligt (M ), de echo's gedurende de nozzlerotatie een gelijke am plitude hebben. L igt h e t doel niet op de antenne-as (D ), dan hebben de echo’s gedurende een nozzle-rotatie een am plitudem odulatie.
U it de faseverschuiving van deze am plitude gem oduleerde signalen t.o.v. de elevatie- en azim uthreferentiesignalen k an men de elevatie en h et azim uth bepalen.
4.2. Elektronisch bundelschakelen - Monopiils systeem
In een monopuls systeem k an men elke puls afzonderlijk ge
bruiken, om de juiste p la a ts van h et doel te bep alen en de goede correctie te geven a a n de antenne om h et doel te volgen.
In h et monopuls systeem m a a k t men gebruik van een am pli
tude- op fase-vergelijk van de signalen, die uit 2 antennebundels v erk reg en w orden.
Fig 1 3
H et zend- en ontvangkanaal van de m onopulsradar
Antennes voor navigatie en locatie
25
_________ 1_____ L _______anUnnc a*
D e m o n o p u lsrad ar b e s ta a t uit een zen d k an aal en 2 ontvang- kanalen : h et som- en verschilkanaal. Zie figuur 13.
H e t som kanaal is identiek aan h et norm ale r a d a rk a n a a l en w o rd t ook als zen d k an aal gebruikt.
H e t verschilkanaal ontv an g t een minimum signaal, indien het doel zich op de antenne-as bevindt. D eze nul-indicatie geeft een
een grotere hoeknauw keurig-
_ richting van doel heid.
^ E r zijn tw ee m onopulssy- sternen: fasevergelijk en am plitudevergelijk. Zie figuur 14 en figuur 15.
In fig. 14 sta a n tw ee a n te n nes op een a fsta n d d van el
k a a r. Als h et doel op de a n tenne-as ligt w o rd en de beide Fg 14 signalen door de antennes in
M onopulsantennes voor fasevergelijk gelijke fase ontvangen. W ijk t de doelrichting een hoek /?
af van de antenne-as, dan o n ts ta a t er tussen beide signalen een faseverschil van 2 7i d sin fi D e fase-afwijkingen moeten tussen + i 8o° en - l 8o° lig
gen om een eenduide- dige nulpuntsbepaling te krijgen. D it kan men bereiken door de an te n n eb u n d e l-b re e d te zo te kiezen, d a t het maximale fa se v er
schil tussen de beide signalen binnen bovengenoem de grenzen blijft.
In figuur 15 sta a n de antennes op dezelfde p laats, m a a r de assen van de antennebundels vorm en een hoek a. D e as van het gehele antennesysteem is de bissectrice van a. E en doel op deze antenne-as geeft in beide o ntvangkanalen een even grote am plitude af. Ligt het doel niet op de antenne-as dan zijn de am plitudes in de 2 ontvangkanalen verschillend.
V o o r een nauw keurige hoekbepaling in tw ee vlakken, azimuth en elevatie kan men gebruik m aken van:
Fig. 1 5
M onopuls antennes voor am plitudevergelijk
26
R. A. KasperFig. 1 ó
M onopulsantenne m et d antennebundels a) azim uth en elevatie uit am plitude-vergelijking
b) azim uth en elevatie uit fase-vergelijking
een am plitude-am plitudesysteem (figuur 16a) een fase-fasesysteem (figuur 16b) en
een fase-am plitudesysteem (figuur 17).
Fig. 17
M onopulsantenne met 2 antennebundels A zim uth: fase-vergelijking
Elevatie : am plitude-vergelijking
In figuur 18 ziet men de antennesystem en van
de netw erk en , die benodigd zijn om uit figuur 16 de diverse signalen te krijgen:
Fig. 1 8
Som- en verschilnetw erk voor antennebundelschakehng in azim uth en elevatie
T T
Antennes voor navigatie en locatie
27
som signaal: 2 , verschilsignaal elevatie: A el. verschilsignaal azi- m uth : A a z.
E en van de voordelen van h et m onopulssysteem is, d a t de fadingverschijnselen geen invloed uitoefenen op de hoeknauw - keurigheid; dit in tegenstelling to t de mechanische antennebun- delschakeling, w aarbij een fadingfrequentie te r grootte van de
„n o zzle'-ro tatiefreq u en tie een hoekfout vero o rzaak t.
Literatuur
W . H. Ha 11: Prodiction of Pulse Radar Performance. Proc. I.R.E. Febr. 1956.
P. S w e r l i n g : Maximum Angular Accuracy of a Pulsed Search Radar. Proc.
I.R.E. Sept. 1956.
K. R ö h r i ch: Prinzipien der dreidimensionalen Radarortung, N .T.Z. 1960 Heft 12.
S i m p s o n : New Techniques in three Dimensional Radar. I.R.E. Trans, on Military electronics April 1961.
S. S i l v e r : Microwave antenna theory and Design. Chapter VI: Aperture il
lumination and antenna pattern. Chapter XIII: Shaped beam Antennas.
D. R. R h o d e s : Introduction to Monopulse. Mac Graw Hill, 1959.
Manuscript ontvangen 26 juli 1962.
Deel 28 - No. 1-2 - 1963 29
Ontwerp van antennes voor navigatie en locatie
door M. H. Bodmer *)
1. Inleiding
E en antenne is een to estel d a t de toegevoerde hoogfrequente strom en omzet in stralingsenergie en deze la a ts te min of m eer bundelt. D e antenne o n tvangt h a a r energie van een transm issie- lijn of golfpijp en is dan in s ta a t deze energie als elektrom ag
netische golven uit te stralen.
In h e t toepassingsgebied voor locatie en navigatie of and ers gezegd bij ra d a r, w o r d t gebruik g em aakt van antennes m et een grote richtingsgevoeligheid.
H e t doel van de antenne is tw eeledig: Bij zenden w o rd t en er
gie u itg e stra a ld om het doel te belichten, terw ijl met dezelfde antenne de door h et doel gereflecteerde energie w eer w o rd t ontvangen.
D e keuze van de golflengte ligt in h et cm- en dm-gebied, n.1.
van ca. 2-50 cm. Bij nog langere golven is de antenneafm eting een bep erk en d e factor. O m , b.v. bij ro n d zo ek rad ars, voldoende hoekdiscrim inatie te bereiken w o r d t gebruik g em aak t van b u n dels die horizontaal 1 k 2 g rad en b re ed zijn. D e horizontale antenneafm eting zou bij lange golven te groot w orden. Bij k o r
tere golven d aare n te g e n neem t de atm osferische demping bij de p ro p a g atie van de golven toe.
2. Karakteristieke antenne^grootheden
V o o r d a t to t een o n tw erp w o r d t overgegaan moeten de vol
gende punten bekend zijn.
2.1. Antennev ersterking
D it is een grootheid die een m a a t is voor de bundelende w erking van de antenne.
H e t is gebruikelijk d a t de an ten n ev ersterk in g of „gain ” w o rd t
*) H ollandse Signaal apparaten N .V . Hengelo.
30 M. H. Bodmer opgegeven in h et punt van maximale intensiteit van de bundel terw ijl g erefereerd w o r d t a an een isotrope straler.
U itg e d ru k t in anten n e-o p p erv lak en golflengte is deze v e r
sterking
G = K ^ - r G = antenn e-v ersterk in g
A = o p p erv lak te v./d. antenne-opening X = golflengte
k x — re n d em en tsfacto r I ^ k x ^> O
2.2. Bimdelbreedte op h a lf vermogen
D eze s ta a t in eerste instantie in nauw e relatie to t de antenne- afm eting
@ 3dB =
l D
&3dB = b u n d elb reed te op h alf verm ogen D = afm eting van de antenne-opening /t2 — evenredigheidsfactor
W o r d t de b u n d elb reed te in graden u itg ed ru k t dan is een grootheid tussen 50 en 80 m et de „dim ensie” graad.
2.3. De vorm van de hoofdlus
Hierbij zijn de nuldoorgangen belangrijk, b.v. in h e t horizon
tale vlak. V e r d e r k a n de vorm v an de bundel in h e t vertikale vlak een bijzondere vorm hebben, de zogenaam de „cosec2-vorm ” .
2
A. Structuur van de bijbundelsH e t niveau w a a ro p deze bijbundels t.o.v. de hoofdlus liggen, w o rd t in hoofzaak b ep aald door de v eld sterk te- en fase-verdeling a a n de opening van de antenne.
H e t a a n ta l bijbundels is afhankelijk van de antenne-afm eting.
2.5. Polarisatie
D eze k an zijn lineair (horizontaal c.q. v ertik aal) of circulair.
2.6. Bandbreedte
Ontwerp van antennes voor navigatie en locatie 31
H ie ro n d er w o rd t v e rsta a n d a t de im pedantie van de a n te n ne over een vastgestelde frequentieband binnen b epaalde grenzen a a n g e p a st m oet zijn. V e r d e r m oet het stralingsdiagram over die b a n d vrij co n stan t blijven.
2.7. H et uit te zenden vermogen
H o ew el dit niet direct een antenne-grootheid is, is h et voor de o n tw e rp e r van belang om te w eten w elk verm ogen de antenne m oet kunnen v erw erk en . E r zijn b epaalde ty p e n antennes die e e rd e r aanleiding to t doorslag geven w a n n e er het verm ogen te groot w o rd t, b.v. dipolen.
3.
Het stralingsdiagram
Am pl.
verd.
Bundelbr.
tussen nulpunten
Bundelbr.
op _3 dB
Zijlus niveau
t.o.v.
hoofdlus
Relatieve Gain
U niform 1---1 115 X/D 5 1 % -13.4 dB 0 dB Cosinus 172 X/ d 70 % -2 3 dB -1.70 dB Cosinus2 229 V D 82 % -31 dB _175 dB Dakvorm 229 V d 73 % -26.6dB J.25 dB Unif.+
Cos. r ' S 125 Vd 54 % _16 dB -010 dB Unif.+ 0
Cos? 139 V d 57 % -2 0 dB -0.25 dB Dolph A 190 V d 64 % -3 7 dB -0.95 dB 174 VD60.5 /DV -3 3 dB -0.75 dB
B epalend hiervoor zijn de v eld sterk te- en faseverdeling aan de opening van de antenne. In fig. 1 is dit in tabelvorm aan g e
geven voor diverse vorm en van de veldsterkteverdeling bij ge
lijke fase over de opening.
In de kolommen 1 en 2 zijn de verschillende veldsterktever- delingen aangegeven. In kolom 3 en 4 zijn resp. de bundelbreedte tussen de nulpunten en op half verm ogen in grad en opgenomen.
Fig# [ In de la a ts te tw ee kolommen
V oornaam ste diagram eigenschappen sta a n het daarbij horende zijlus-
bij verschillende am plitudeverdelin- niveau en de antenneversterking.
gen en een rechthoekige antenne- D it la a tste is als een relatieve
opening grootheid aangegeven ten opzich
te van de an ten n ev ersterk in g van een antenne m et een uniforme verdeling.
E en nauw keurige beschouw ing van deze tab el le e rt ons het v o lg e n d e : E en laag zijlusniveau g a a t in het algemeen g e p a ard m et een lagere gain, w a a ru it w e e r volgt een grotere bundel
breedte. D e w iskundige uitw erking van een stralingsdiagram is, hoew el principieel niet moeilijk, zeer ingewikkeld.
32 M. H. Bodmer 4. E nkele voorbeelden uit het grote an ten n e-arsen aal, die in aanm erking komen voor toepassing in dit gebied zijn:
Hooryiantenne
D it is een trechtervorm ige uitmonding aan het eind van een golfpijp.
D eze w o rd e n v a a k to eg ep ast als p ri
maire s tra le r bij parabolische reflectoren.
Lensantenne
Dit is een voor elektrom agnetische gol
ven „ tr a n s p a r a n t" lichaam. E en belangrijke grootheid is de brekingsindex n = c/v, die ongelijk a a n de eenheid is.
c = de fase-snelheid in de vrije ruim te v = de fase-snelheid in h et lenslichaam
D e lensantenne w o rd t b e stra a ld door middel van een zw ak bundelende s tra le r (b.v. een hoorn), die in h et b ra n d p u n t is ge
p laatst. In de b u u rt van het lenslichaam zijn de golven, afkom stig van de straler, p rak tisch bolvormig, die dan door de lens w o rd e n omgezet in vlakke golven.
Is n^> I en constant, d an hebben w e te m aken m et een con
vex vertragingslens. D it zijn diëlektrische lenzen.
Is n <C I en co n stan t dan is het een concaaf versnellingslens.
E en voorbeeld hiervan is de m etaalp laatlen s, w aarbij de pola- risatierichting van de golf evenwijdig is a an de platen. D e ruim te tussen de p laten fungeert d an als een golfpijp, w a a rin de fase- snelheid b ep aald w o r d t door de a fsta n d d tussen de platen.
Diëlektrische antenne
D e m eest eenvoudige vorm is de diëlektrische s ta a f die in een golfpijp is gestoken. D e aanw ezigheid van de diëlektrische s ta a f dw ingt de elektrom agnetische golven zich hierlangs v o o rt te planten. E c h te r w o rd t de golf, die zich langs de s ta a f v o o rt
bew eegt, a a n h et grensvlak tussen diëlektricum en lucht niet geheel gereflecteerd. E en gedeelte tre e d t n a a r buiten, om op deze wijze een uitw endig elektrom agnetisch veld te vormen. H e t r e s u lta a t is d a t het stralingsdiagram van het op deze wijze v erkregen uitw endig elektrom agnetisch veld een grotere richtings-
Ontwerp van antennes voor navigatie en locatie
33
gevoeligheid v erto o n t dan in h et geval van een golfpijp zonder dielektrische staaf.
Oi H e t stralingsdia- gram w o r d t b ep aald door de doorsnede aan h et begin en einde resp. oIf o2, de lengte L van de s ta a f en de diëlektriciteitscon- stante £ van h et m ateriaal.
S le u f antenne
M e t behulp van een resonantie-sleuf is h et mogelijk om ener
gie uit een golfpijp te koppelen. Buiten de golfpijp s tr a a lt de energie in de vrije ruimte. D e afmetingen van de sleuf zijn d « I ^ , als X de golflengte in de vrije ruimte is. D e af-
2
sta n d x, w a a rm e d e de sleuf uit het midden is geplaatst, b ep aalt de koppelfactor.
D e richtingsgevoeligheid van één sleuf is niet groot. D o o r m eerdere van die sleuven a c h te r e lk a a r te plaatsen, w o r d t meer bundeling bereikt.
Parabolische reflector
D eze k a n zijn een omwente- lings- of een cilindrische p a r a bool. In h et eerste geval w o r d t de reflector b e s tr a a ld met een p u n ts tra le r (b.v. hoorn) en in het tw eed e geval met een lijnstraler
(b.v. sleufantenne).
D eze veel toegepaste antenne zal v e rd ero p nog n a d e r b e h a n deld w orden.
5.
Draaiende antennes
F ig.4 Sleufantenne
D e antennes die in dit toepassingsgebied w orden gebruikt zijn veelal draaiende antennes. V o o r w a t b e tre ft de constructie van de antenne, zoals vermogen voor de aandrijving, de sterkte en de stijf
heid, is de omgeving w a a rin de antenne w o r d t g e p la atst m edebe
palend.
34 M. H. Bodmer In de eerste plaats hebben wij te m aken met de atmosferische om standigheden zoals statische- en dynamische windbelasting.
Bovendien kan de reflector nog e x tra b e last w o rd en met een ijs- en sneeuwlaag.
In de tw eede p laats hebben wij te m aken met het d ragen d vehikel. D i t kan zijn een schip, vliegtuig, r a k e t of tank. E r kunnen e x tra belastingen optreden ten gevolge van translatie- versnellingen op onbalans.
D e opstellingsstijfheid speelt, vooral in v e rb a n d met het ge
wicht, een rol. E r k a n excitatie o p tred en hetzij mechanisch of door de vormgeving (windturbulentie).
Bij militaire toepassing kunnen er speciale belastingen optreden, zoals schokgolven bij afvuren van eigen geschut of ten gevolge van vijandelijke actie.
Bij parabolische reflectoren k an de w indbelasting sterk ge
reduceerd w o rd e n door het reflectoroppervlak uit evenwijdige d ra d e n of als gaasscherm op te bouwen.
W o r d t de antenne in een koepel (van kunststof) of radom e g e p la a tst dan kunnen alle atmosferische invloeden verm eden w orden.
Bij gebruik van een radom e moet de o n tw e r p e r m et het vol
gende rekening h o u d e n :
— er tr e e d t e x tra demping op door de radom e
■— het zijlusniveau w o r d t in ongunstige zin b e in v lo ed ; verschil
lende looptijden door de radom e veroorzaken fasefouten.
— er k an een bundelafbuiging optreden.
6. De parabolische reflector
Reflector
D
\ S traler
Primair
jngsdiagram
5 > -
Secundair stralingsdiagram
V a n w e g e zijn eenvoud is deze antenne voor vele toepassingen bijzonder ge
schikt.
U it de combinatie van primaire stra le r en reflec
to r w o r d t h et secundaire stralingsdiagram v e r k r e gen, men sp reek t dan over het stralingsdiagram .
N ie t alle energie van de primaire s tra le r zal door de reflec
to r w o rd e n onderschept, een gedeelte s tr a a lt langs de reflec-
Fig. 5
Parabolische reflector
Ontwerp van antennes voor navigatie en locatie 35 tor, dit duidt men aa n als overstralings-energie of „spillover” . In fig. 5 is dit gearceerd aangegeven.
In de wijze w a a ro p de reflector w o r d t a a n g e s tra a ld is in het algemeen een intensiteitsverloop m e rk b a a r tussen het centrum van de spiegel en de rand. M e n zegt dan d a t de ra n d met zoveel dB -afval w o r d t belicht.
H e t rendem ent van de verlichting is dan
rj = —P a P t
w a a rin P a door reflector onderschepte energie P t door s tra le r u itgestraalde energie
In fig. 6 is het verloop van ij aangegeven als functie van de randverlichting, aangeduid als demping.
Demping
dB V
Demping
dB 7]
8 0.71 15 0.81
10 0.75 20 0.83
12 0.79 25 0.84
Fig. 6
Rendement en randverlichting
V o o r het o n tw e rp is v e rd er belangrijk de verhouding tussen de b ra n d p u n t-a fsta n d (F ) en de diam eter (D ) van de parabolische reflector, aangezien de verhouding F /D de instraalhoek bepaalt.
R eeds eerd e r is geponeerd, d a t de antenneversterking voorge
steld w o r d t door de formule : G = k 1
r
hierin is k x = r; X^", terwijl g de zogenaamde ,,gain~factor” is.
H e t is nuttig om na te gaan hoe deze gain-factor v erloopt als functie van de instraalhoek 0 en de richtingsgevoeligheid van de primaire straler.
36 M. H. Bodmer Bij benadering k an de hoofdlus van de primaire s tra le r voor
gesteld w o rd en door:
Y(@) = Y a c o s " 0 o < 0 ^ -
2
In formule is het v erb an d tussen gain-factor, instraalhoek en diagram van de primaire stra le r
g = cot g* 2
Fig. 7
D e versterkingsfactor g als functie van &
V o o r n = 2, 4, 6, 8, . . . (even), la a t b o v en staan d e vorm zich eenvoudiger uitrekenen. H e t r e s u lta a t is in fig. 7 grafisch weergegeven.
V o o r n = 2 w o r d t de maximale w a a r d e voor g bereikt. D e daarbij horende ©0 = 65°, w a a r u it te b e r e k e nen is d a t de ra n d van de reflector w o r d t b e s tra a ld m e te e n intensiteit die ca. 8 dB. lager ligt; hieruit volgt rj = 0,7 1, z o d a t
K = V X g = 0,71 X 0,83 = 0, 59.
D e totale antenne heeft dus een ren d em en t van ca. 60°/0.
7. Verstoringen bij de parabolische antenne 7.1.
Mechanische tolerantiesM echanische tolerantie bij parabolische antenne
O n n a u w k e u rig h e d e n in de fabrikage geven aanleiding to t verstoring van het vlak van gelijke fase.
- D e vorm van de reflector w ijkt af van de theoretische. Hierbij w o r d t v e ro n d e r
steld d a t de primaire s tra le r in het b r a n d p u n t zit.
S x = werkelijke vorm van h et reflector o p pervlak
S 2 = theoretisch juiste vorm d x = max. afwijking
