Vollgespeiste Richtantenne für Kurz- und Ultrakurzwellen Zum Verständnis und zur Beurteilung der erfin dungsgemässen Antenne werden die Besonderheiten gerichteter Hochfrequenzstrahlung sowie Antennen ähnlicher Art bis zum neuesten Stand der Technik kurz gestreift.
Durch gerichtete Hochfrequenzstrahlung mit Hilfe von Richtantennen kann die Verbindungsgüte einer drahtlosen Verbindungsstrecke bedeutend verbessert werden. Gleichzeitig werden ausserhalb des Richt- strahles liegende Störer aller Art unterdrückt. Diese Vorteile werden ohne Erhöhung der laufenden Be triebskosten erzielt. Der Empfang an einem gegebenen Standort kann mit keinem andern Mittel als mit Richtempfangsantennen verbessert werden, weil die Empfindlichkeit der Empfangsgeräte durch den Stand der Röhren- und Schalttechnik begrenzt ist.
Auch auf der Sendeseite ist die Sendeenergie meist an ein wirt schaftliches Mass gebunden, so dass Energiebündelung mit Richtantennen oft als einzige Verbesserungsmass nahme in Frage kommt.
Elektromagnetische Wellen lassen sich um so schärfer bündeln, je grösser der Reflektor bzw. das Antennengebilde im Verhältnis zur Wellenlänge ist. Während Lichtwellen und sehr kurze Radiowellen mit kleinen Gebilden scharf gebündelt werden können, wird nur einigermassen gute Bündelung bei Meter- und Dekameterwellen bereits problematisch.
Aber ge rade im Kurz- und Ultrakurzwellenbereich von etwa 6 bis 300 MHz (50 bis 1 m Wellenlänge) ist Richt- strahlung heute in vielen Fällen von grossem Nutzen. Oft geht es darum, Antennenformen zu finden, die bei möglichst knappen Abmessungen und einfacher, wetterfester Konstruktion noch gute Richtstrahleigen- schaften aufweisen, und oft tritt das weitere Bedürf nis hinzu, den Richtstrahl abwechslungsweise nach verschiedenen Himmelsrichtungen drehen zu können. Man gelangt zwangläufig zu einem Richtstrahlertyp, der sich an einem einzigen vertikalen Rohrmast, sei er drehbar oder fest, montieren lässt.
Die kompaktesten Antennen für einseitige Richt- strahlung sind die bekannten und weitverbreiteten Yagi-Antennen. Sie bestehen aus einem gespeisten Halbwellendipol, welchem parallel und in einer Ebene liegend parasitär erregte Reflektor- und Direktor dipole beigesellt sind (Fig. 1). Je nach Länge und Anzahl der Dipolelemente kann durch ihr gegenseiti ges Zusammenwirken eine mehr oder weniger gute einseitige Bündelung der Strahlung nach dem Inter- ferenzprinzip erzielt werden.
Die Beliebtheit der Yagi-Antennen gründet sich auf folgende Vorteile: - Nur ein einziges Dipolelement muss gespeist wer den,, was den Betrieb der Antenne einfach und zu verlässig macht.
- Die Yagi-Antenne kann als Ganzmetallkonstruk- tion einfach und wetterfest gebaut werden. Trotz der grossen Verbreitung dieser Antennen sind folgende Nachteile nicht zu übersehen: - Parasitäre, das heisst strahlungserregte Elemente sind dem gespeisten Dipol elektrisch nicht gleich wertig. Der Aufwand an parasitären Elementen im Verhältnis zur Wirkung ist verhältnismässig gross.
- Auf Kurzwellen wird die Ausladung der Yagi schon so gross, dass sich Vier- bis Fünfelement Antennen nur etwa im Wellenbereich 10 bis 16 m und Zwei- bis Dreielement-Antennen bis etwa 25 m Wellenlänge wetterfest bauen lassen.
- UKW-Yagis mit zahlreichen Elementen stören manches Auge und verursachen den Benützern verhältnismässig hohe Anschaffungskosten.
Im Jahre 1950 wurde die sogenannte Trom- bone - oder ZL-Special -Antenne bekannt, die keine parasitär erregten Elemente mehr aufweist (Fig. 2). Zwei Faltdipole in .1/8 Abstand werden voll gespeist. Der Speisungspunkt liegt in der Mitte des vor deren, kürzeren Elements. Die zum hintern Element führende sogenannte Phasenleitung erzeugt infolge ihrer Kreuzung um 180 und der ihrer Länge von A/8 entsprechenden Laufzeit eine Phasendifferenz von 180-45 = 135 .
Diese für einseitige Richtwirkung notwendige Phasenverschiebung stimmt mit derjenigen überein, welche sich auch bei blosserStrahlungskopplung der beiden ungleich langen Antennenelemente ein stellen würde. Das System arbeitet ohne Komplikatio nen und erreicht im Kurzwellen-Fernverkehr einen Leistungsgewinn, der demjenigen einer guten Drei element- oder durchschnittlichen Vierelement Yagi entspricht.
Der Erfinder konnte diese Antenne bei Versuchen im Jahre 1954 konstruktiv verbessern, ohne deren elektrische Eigenschaften zu verschlechtern (Fig. 3). Anstelle der Faltdipole treten einfache Elemente aus Leichtmetallrohr, die mit einer doppelten T-Anpas- sung aus gewöhnlichem Installationsdraht gespeist werden. Diese unter dem Namen HB9CV-Richt- strahler bekannte Antenne steht bei zahlreichen Amateur-Sendestationen wie auch bei andern Kurz wellendiensten im Gebrauch und hat sich ebenfalls als UKW-Antenne bewährt.
In jüngster Zeit erlebt die sogenannte Quad - Antenne in Amateurkreisen einen grossen Aufschwung. Das Grundelement wird gebildet durch zwei Halb wellendipole in d/4 Abstand übereinander, deren Enden je zu einem geschlossenen quadratischen Rah men zueinander geknickt werden (Fig. 4). Das Qua drat hat somit den Umfang einer Wellenlänge oder J/4 Seitenlänge.
Das Ganzwellenquadrat nach Fig. 4 erzeugt eine horizontal polarisierte Strahlung mit zwei Maxima beidseitig quer zur Quadratebene. Nach dem Prinzip der Yagi-Antenne wird parallel zum gespei sten Quadrat ein zweites Quadrat etwas grösserer Länge als parasitärer Reflektor zugeordnet.
Dieses Gebilde nach Fig. 5 erfreut sich unter dem Namen Cubical Quad steigender Beliebtheit, obschon seine gegenwärtige Konstruktionsart aus Bambus- oder Holzgestell mit darübergespannten Drahtquadraten höheren Ansprüchen an Dauerhaftigkeit kaum ge nügt. Neueste Ganzmetallkonstruktionen sind recht aufwendig, und die metallenen Hilfsträger wirken elektrisch störend.
Der Leistungsgewinn dieser Antenne beträgt bei Nahfeldversuchen etwa 6 db gegenüber dem Halb wellendipol. Eigenartigerweise bestätigen die Ergeb nisse im interkontinentalen Kurzwellenverkehr immer aufs neue, dass der effektive Gewinn bei 10 bis 12 db liegt. Die Lautstärken liegen deutlich höher als bei der Vierelement-Yagi. Dieses Verhalten, das offen bar mit der räumlichen Anordnung der Antenne zu sammenhängt, ist wissenschaftlich noch wenig er forscht.
Aufbauend auf den geschilderten Entwicklungs stand ist die erfindungsgemässe Antenne entstanden. Diese ist auf einfache Weise voll gespeist. Es muss hier eingefügt werden, dass es sich bei Entwicklung voll gespeister Richtantennen mit un gleich langen Elementen um empirisch gefundene Lösungen handelt. Mathematische Untersuchungen stossen wegen der zahlreichen voneinander abhängigen Variabeln auf grosse Schwierigkeiten. Die kommer zielle Antennentechnik steht deshalb solchen Weiter entwicklungen vorläufig skeptisch gegenüber. Die er findungsgemässe Antenne zeigt jedoch im Verhältnis zum Aufwand so überzeugende Ergebnisse, dass die wissenschaftliche Bearbeitung des empirisch erzielten Fortschrittes nun lohnend erscheint.
Der Zweck der Erfindung besteht in der Schaf fung einer Richtantenne, die bei geringeren Abmes sungen, kleinerem Materialaufwand und einfacherer Konstruktion mindestens ebenso gute oder bessere Richtstrahleigenschaften aufweist als bisher bekannte Antennen dieser Art.
Nachfolgend werden an Hand der beiliegenden Zeichnungen eine beispielsweise Ausführungsform der erfindungsgemässen Antenne sowie zwei Varianten ihrer Speisung näher erläutert.
In den Zeichnungen, wird dargestellt: Fig. 1 die bekannte Dreielement-Yagi , Fig. 2 die bekannte Trombone - oder ZL- Special -Antenne, Fig. 3 die bekannte HB9CV-Richtantenne , Fig. 4 die Strom- und Spannungsverteilung der bekannten Quad -Antenne, Fig. 5 eine bekannte Form der Cubical Quad - Richtantenne,
Fig. 6 die erste Ausführungsform der erfindungs gemässen Richtantenne, Fig. 7 bis 8 zwei Arten der Antenneneinspeisung, Fig. 9 bis 11 drei Arten für die Befestigung der Antenne nach Fig. 6 am zentralen Tragmast.
Die erfindungsgemässe Richtantenne (Fig. 6) kennzeichnet sich durch zwei im Abstand von 0,05 bis 0,1 a voneinander und praktisch parallel zuein ander angeordneten Rahmen, deren Umfangslänge, abgesehen von einem die Richtwirkung der Antenne bestimmenden Korrekturfaktor, gleich einer Wellen länge ist, wobei die Rahmen ohne Hilfsträger und ohne elektrische Isolation an einem zentralen Verti kalmast durch Einwärtsbiegen der Mittelpartien der horizontalen Teile befestigt sind.
Mit Ausnahme der einwärts gebogenen Teile wei sen ferner im Beispiel nach Fig. 6 die beiden Rahmen die für eindeutige Phasenverhältnisse notwendige Par allelität auf. Die einwärts gebogenen kreuzförmigen Antennenpartien im Zentrum wirken elektrisch wenig störend, weil dort die Ströme aller gegenüberliegen den Teile in Gegenphase sind und dadurch die Strah lung weitgehend aufgehoben wird.
Bei der zentralen Befestigung am Mast wird auf elektrische Isolation vollständig verzichtet, da im Mit telpunkt aller vier Dipole der elektrische Spannungs knoten liegt.
Die Speisung der gesamten Vierelementantenne kann an einem zentralen Speisungspunkt auf einfache Weise erfolgen, sei es am untern oder obern Fix punkt am Mast. Die beiden Antennenquadrate werden in Gegenphase erregt. Als überraschendes Ergebnis hat sich herausgestellt, dass die für einseitige Richt- wirkung notwendige, von 180 etwas abweichende Phasenlage zwischen beiden Antennenquadraten bei der Speisung überhaupt nicht berücksichtigt werden muss. Sie stellt sich infolge des um 5111. verschiedenen Umfanges von Reflektor- und Direktorquadrat inner halb des Antennensystems zwangläufig ein.
Bei zwei direkt gespeisten, elektrisch gleichwertigen Quadraten hebt sich die induktive Blindkomponente des Reflek- torquadrates und die kapazitive des Direktorquadra- tes auf den Speisungspunkt bezogen auf. Eine Be stätigung für diese Annahme ist darin zu erblicken, dass die Resonanzfrequenz der ganzen Antenne, an der Speiseleitung gemessen, in der Mitte zwischen den Resonanzfrequenzen der einzelnen Antennenquadrate liegt.
Für die Praxis ist die Speisungsart gemäss Fig. 7 am zweckmässigsten. Es handelt sich um die bekannte Gamma-Speisung, hier abgewandelt als doppelte Gamma-Speisung. Sie gestattet die Anpassung han delsüblicher Koaxialkabel von 50 bis 75 Ohm Wellen widerstand.
Die bekannte T-Speisung, hier abgewandelt als doppelte T-Speisung gemäss Fig. 8, gestattet die An passung aller üblichen Paralleldraht-Speiseleitungen von 150 bis 600 Ohm Wellenwiderstand.
Als Leiter für die doppelte Gamma- oder T-An- passung bewähren sich gewöhnliche, plasticisolierte Installationsdrähte als einfachste und billigste Lösung bestens. Der Leiterdurchmesser soll demjenigen der Speiseleitung entsprechen. Die Impedanzanpassung erfolgt durch Verschieben der Abgriffe x (Fig. 7 und 8), bis das beste Stehwellenverhältnis auf der Speise leitung erreicht ist. Der Abstand zwischen Speise draht und Antennenrohr ist unkritisch und liegt zweckmässigerweise bei 2/200.
Der ungewöhnlich geringe Abstand von 0,075 zwischen den Antennenquadraten, der für die prak tische Ausführung am zweckmässigsten erscheint, hat sich kaum als nachteilig erwiesen. Während solche Abstände bei parasitären Yagi-Antennen zu ausser ordentlich niedrigen Strahlungswiderständen mit ent sprechend scharfer Selektivität und geringer Band breite führen, liegt der Strahlungswiderstand der er findungsgemässen Antenne in der Grössenordnung 40 bis 50 Ohm. Dieser günstige Wert ist die Folge der räumlichen Anordnung und der gleichmässigen Spei sung der ganzen Antenne.
Die geeignetsten Ausführungsarten sind für - Kurzwellenantennen: Leichtmetallrohre für die Horizontalteile, Draht oder Litze für die Verti kalteile.
- UKW-Antennen: ganz aus Leichmetallrohren oder Stäbchen, jedes halbe Antennenquadrat aus einem Stück gebogen.
Die Vorteile der beschriebenen Ausführungsform und Varianten sind: 1. Alle Hilfsträger fallen weg. Ausser dem Vertikal mast sind nur aktive Antennenteile vorhanden.
2. Da die Antenne grundsätzlich keiner elektrischen Isolation bedarf; kann sie auf einfache, billige und solide Weise als Ganzmetallkonstnaktion zusam mengesteckt, genietet, geschraubt, gelötet oder ge schweisst werden.
3. Kurzwellenantennen mit vorgespannten Horizon talteilen, welche die Vertikaldrähte straff halten, können ungewöhnlich leicht gebaut werden. Im Wind bleibt die Antenne formstabil, und der Wind widerstand ist minim. Erwartungsgemäss können auf diese Weise Antennen bis etwa 50 m Wellen länge gebaut werden.
4. UKW-Antennen, völlig aus Rohr oder Stäben hergestellt, werden wegen direkter Fixierung aller Antennenteile direkt am Mast ungewöhnlich sta bil, oder anders gesagt, es können ungewöhnlich dünne, schon auf geringe Entfernung kaum mehr sichtbare Antennenteile bei genügender Stabilität gewählt werden.
5. Die direkte Speisung aller Antennenelemente er gibt einen guten Wirkungsgrad und lässt den Er gebnissen zufolge weitere Vorteile vermuten, die heute noch ungeklärt sind.
6. Die Stromwärmeverluste der Antenne sind ge ring, weil die Mittelpartie aller Dipole im Bereich hoher Antennenströme aus gutleitendem Metall rohr besteht.
7. Alle spannungsführenden Teile der Antenne ste hen ohne Haltepunkte oder Abspannungenf, frei im Raum, so dass Ableitverluste ganz wegfallen.
B. Die Speisungsarten nach Fig. 7 und 8 können ein fach, billig und dauerhaft ausgeführt werden und ermöglichen die Anpassung aller handelsüblichen Speiseleitungen.
Für die praktische Ausführung durch Fachleute sind lediglich Angaben zur Berechnung der Antennen dimensionen und Konstruktionsbeispiele für die Fix punkte am Mast notwendig. Alles übrige sind be kannte Aufgaben der Antennentechnik.
<I>Berechnung der</I> Antennendimensionen Der Resonanzumfang U eines Ganzwellenquadra- tes muss etwas länger als eine Wellenlänge sein, nämlich: U=2- 1,12.
Soweit bisher festgestellt werden konnte, ist der Verlängerungsfaktor 1,12 bemerkenswert wenig ab hängig von Antennengrösse und Leiterdicke, gilt also für alle Antennen als recht genauer Richtwert.
Der Längenunterschied zwischen Reflektor- und Direktorquadrat liegt für besten Gewinn und zugleich optimale Nebenkeulenunterdrückung bei 5%. Somit wird der Umfang des Reflektorquadrates <B>2,5%</B> länger und derjenige des Direktorquadrates 2,5% kürzer als die Resonanzlänge.
Man erhält also für: Umfang Reflektor = 2 1,12 1,025 - 1,148.1 Umfang Direktor = 2 # 1,12 0,975 = 1,092 2 Bei quadratischer Antennenform werden die Sei tenlängen: Seitenlänge Reflektor = 0,287 Seitenlänge Direktor = 0,273 Vom elektrischen Standpunkt aus am günstigsten erscheint die rechteckige Form mit folgenden Abmes sungen:
Alle Vertikalteile = 0,25 @ (2J4) Horizontalteile Reflektor = 0,324 Horizontalteile Direktor = 0,296 Die Strahlungslücken, die durch die Einknickungen in der Mitte der Horizontalteile entstehen, werden bei der angegebenen Rechteckform durch die längeren Horizontalteile ungefähr wettgemacht.
Unter Seitenlänge der Horizontalteile ist die Länge von einem Ende zum andern, ohne Berücksichtigung der Einknickung zum Fixpunkt, zu verstehen. Die durch die Einknickung bedingte, etwas grössere Rohr länge kann jeweils leicht geometrisch bestimmt wer den.
Der Abstand von 0,075 A, zwischen Reflektor- und Direktorquadrat ist in elektrischer und mechani scher Hinsicht ein vorteilhafter Mittelwert, kann aber im Bereich von 0,05 bis 0,1 A, variiert werden, wobei sich bei grösser werdendem Abstand vor allem der Strahlungswiderstand und damit die Bandbreite er höht.
Konstruktionsbeispiele Für Kurzwellenantennen kommen Konstruktionen gemäss Fig. 9 und 10 in Frage. Nach Fig. 9 werden Briden mit je zwei Zapfen verwendet, an welchen die Elemente aufgesteckt sind. An den Seitenlappen der Briden können die Isolierteile zur Montage der Gamma- oder T-Speisung befestigt werden.
Nach Fig. 10 können die Antennenelemente ohne Unterbruch der kreuzenden Rohre montiert werden. Diese Lösung weist nur einfache, sehr leicht herzu stellende Bauteile auf.
Als vorteilhafte Massnahme gibt man den Hori zontalteilen von Kurzwellenantennen eine mecha nische Vorspannung derart, dass die Vertikaldrähte nach Fertigmontage straff gespannt bleiben.
Für UKW-Antennen sind kopfförmige Fixpunkte geeignet, in welche die Antennenrohre, wie z. B. nach Fig. 11, festgeklemmt werden. Bei Einspeisung am oberen Fixpunkt kann die Speiseleitung im Innern des Mastes hinabgeführt werden.