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Hilfs antennenanordnung für eine Peilantenne Zusatz zur Patentanmeldung
T 12038 VIII a/21 a4 (Auslegeschrift 1 007 830) Die Erfindung befaßt sich mit der
Ausbildung einer Hilfsantennenanordnung für eine Peilantenne, insbesondere für Peilantennen,
die über eine lange Leitung mit dem Peilempfänger verbunden sind. Lange Verbindungsleitungen
zwischen Peilantenne und Peilempfänger werden im allgemeinen dort verwendet, wo
die Peilantenne an räumlich exponierten Stellen, z. B. auf einem Turm oder auf der
Mastspitze eines Schiffes, angeordnet ist.
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Aufgabe der Hilfsantenne ist es, eine ungerichtete, sogenannte Rundspannung
zu liefern, die, mit der aus der Peilanteime entnommenen Spannung überlagert, ein
kardioidenförmiges Empfangs diagramm bildet.
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Die Erzeugung eines Kardioidendiagramms ist zur Seitenbestimmung der
Peilrichtung notwendig. Vielfach wird die Spannung der Hilfsantenne oder ein Teil
davon auch ausgenutzt, um Störungen, die eine sogenannte Minimumtrübung zur Folge
haben, zu kompensieren.
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Die üblichen Hilfsantennen, die nach Art einer Vertikalantenne beispielsweise
über dem Peilrahmen angeordnet sind, sind für den praktischen Gebrauch nicht geeignet,
wenn das Peilantennensystem mit einer langen Verükalzuleitung versehen ist, z. B.
bei der Aufstellung auf der Mastspitze eines Schiffes oder auf einem Turm. Eine
derartige Aufstellung der Peilantenne bewirkt, daß die Rückstrahlungen von anderen
metallischen Vertikalleitern vermindert werden.
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Eine derartige Aufstellung hat aber die nachteilige Folge, daß Vertikalströme
zum Fließen kommen. Wie Fig. 1 zeigt, fließen diese Störströme über die leitenden
Teile eines Mastes M oder die Abschirmung eines Antennenkabels, einen Rahmen R und
eine Hilfsantenne H. Besonders extreme Werte nehmen die Vertikalströme an, wenn
die elektrische Höhe des gesamt ten Gebildes ein ganzzahliges Vielfaches einer Viertelbetriebswellenlänge
ist. In diesem Fall bildet sich auf dem Mast und der Antennenanordnung eine Stromverteilung
aus, wie sie an Hand der Fig. 1 durch die schraffierte Fläche angedeutet ist. Die
zu einem betrachteten Zeitpunkt fließenden Ströme mögen die Richtung des innerhalb
der schraffierten Fläche eingezeichneten Pfeiles haben. Diese Vertikal antennenströme
betragen im allgemeinen wegen der wesentlich größeren effektiven Höhe der aus dem
Mast, dem Rahmen und der Hilfsantenne bestehenden Vertikalantennenanordnung gegenüber
der effektiven Höhe einer Hilfsantetme ein Vielfaches der Nutzströme.
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Die Praxis hat gezeigt, daß es nicht genügt, nur die eigentliche
Peilantenne durch besondere Ausbildung gegen diese Störströme unempfindlich zu machen.
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Ein entstörter Peilrahmen wurde bereits in der Hauptpatentanmeldung
vorgeschlagen; er besteht aus zwei in parallelen Ebenen, insbesondere in einer Ebene,
liegenden
Teilen, deren Anschlüsse über Kreuz parallel geschaltet und derart angeordnet sind,
daß sich in einer mit den gemeinsamen Anschlüssen verbundenen Leitung die in den
Teilen des Peilrahmens induzierten Peilströme addieren, die in den der Richtung
der Polarisation der Peilstrahlung entsprechenden Rahmenabschnitten induzierten
Linearantennenstörströme jedoch kompensieren.
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Wie Fig. 1 zeigt, fließt auch der Vertikalstrom über die Hilfsantenne
und deren Ankoppelspule, die üblicherweise am Fußpunkt der Hilfsantenne liegt. Das
hat zur Folge, daß die Amplitude der Rundspannung nicht von der Länge der Hilfsantenne
selbst bestimmt wird, sondern von der gesamten elektrischen Länge des aus dem Mast,
der Peilantenne und der Hilfsantenne bestehenden Vertikalantennensystems, so daß
die gleiche Anlage, beispielsweise auf verschieden hohen Masten installiert, bei
gleichen Frequenzen verschieden große Rundspannungen liefert. Die von einer solchen
Hilfsantenne abgegebene Rundspannung würde außerdem infolge der Resonanzüberhöhungen
stark frequenzabhängig sein. Eine weitere Störung liegt darin, daß die Phase der
Rundspannung, insbesondere in der Umgebung einer Viertelwellenresonanz des Linearantennengebildes
von - 90 bis + 900, schwankt. Die Richtungsbestimmung mit einem Kardioidendiagramm
ist aber nur dann sinnvoll, wenn die Phase der Rundspannung exakt mit der Phase
der Peilspannung übereinstimmt.
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Zweck der Erfindung ist es, die von einer mit der Peilantenne zusammengebauten
Hilfsantenne gelieferte Rundspannung gegen Störungen unempfindlich zu machen, wie
sie insbesondere bei der Aufstellung der Peilantenne auf hohen Masten oder auch
bei Peilanlagen mit langen Antennenkabeln auftreten. Die Ausbildung der eigentlichen
Peilantenne ist dabei weniger von Bedeutung, die Peilantenne kann als Rahmen, Mehrfachrahmen
oder auch als Adcockantennensystem ausgebildet sein. Gerade für den speziellen Zweck
der Anwendung der erfindungsgemäßen Hilfsantenne ist es jedoch vorteilhaft, Peilrahmen
gemäß der Hauptpatentanmeldung oder Antennenkombinationen aus derartigen Peilrahmen
zu verwenden.
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Erfindungsgemäß wird eine Hilfsantennenanordnung für eine Peilantenne,
insbesondere eine Peilantenne unter Verwendung eines oder mehrerer Peilrahmen nach
Patentanmeldung T 12038 VIII a/21 a4 vorgeschlagen, welche durch mindestens zwei
im gleichen Sinne parallel geschaltete Dipole gekennzeichnet ist, die jeweils paarweise
diametral bezüglich der vertikalen Symmetrieachse der Peilantenne angeordnet sind.
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Es ist bereits ein Adcockantennensystem bekannt, bei welchem als
Hilfsantenne ein in der vertikalen Symmetrieachse des Antennensystems angeordneter
Dipol vorgesehen ist. Eine derartige Hilfsantenne hat jedoch den Nachteil, daß die
untere Dipolhälfte wegen der Nähe des Mastes oder wegen des parallel zu dieser D
ipolhälfte geführten Antennenkabels kapazitiv wesentlich stärker mit Masse verkoppelt
ist als die obere Dipolhälfte, so daß die Vorteile der erfindung gemäßen Verwendung
mehrerer Dipolantennen paarweise diametral zur vertikalen Symmetrieachse bei dieser
bekannten Anordnung nicht auftreten.
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Es ist ferner eine Antennenkombination bekannt, die eine Peilung
sowohl bei längeren Wellen als auch bei Ultrakurzwellen gestattet. Bei dieser bekannten
Anordnung dient zur Peilung im Langwellenbereich ein Peilrahmen, zur Peilung im
Ultrakurzwellenbereich eine senkrecht zum Peilrahmen angeordnete H-Adcockantenne.
Die jeweils nicht zur Peilung benutzte Peilantenne oder Teile derselben sollen zur
Lieferung der Rundspannung herangezogen werden.
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Obwohl diese bekannte Anordnung dann, wenn der H-Adcock zur Lieferung
der Rundspannung dient, ähnlich einer Ausführungsform der erfindungsgemäßer Anordnung
ist, unterscheidet sich doch diese bekannte Anordnung sehr wesentlich von der erfindungsgemäßen
Anordnung dadurch, daß die Antennen eines H-Adcocks stets gegeneinander, die Dipole
der erfindungsgemäßen Hilfsantennenanordnung dagegen im gleichen Sinne parallel
geschaltet sind. Während es Zweck der bekannten Anordnung ist, eine möglichst raumsparende
Antenne zu verwenden, liegt der Erfindung die Beseitigung der Störerscheinungen
zugrunde, wie sie bei Peilantennen mit sehr langen Zuleitungen und starken Vertikalströmen
auftreten.
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Nachstehend sollen an Hand der Fig. 2 bis 6 die Wirkungsweise der
Erfindung sowie Ausführungsbeispiele erfindungsgemäßer Hilfsantennenanordnungen
beschrieben werden.
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In Fig. 2 ist schematisch analog zu Fig. 1 eine Peilantenne mit einer
erfindungsgemäßen Hilfsantennen anordnung auf einem Mast dargestellt. Wie im Beispiel
der Fig. 1 ist auch in Fig. 2 der Mast mit M. der Rahmen mit R und die Hilfsantenne,
im vorliegenden Beispiel aus zwei Dipolen bestehend, mit H bezeichnet. Die schraffierte
Fläche gibt die Störstromverteilung längs der durch den Mast und die Hilfsan-
tennenanordnung
gebildeten Vertikalantenne an. Die im Peilrahmen auftretenden Störströme werden
der Übersichtlichkeit halber in Fig. 2 nicht dargestellt.
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Die Pfeile innerhalb der schraffierten Flächen deuten die Richtungen
der Ströme zu einem bestimmten Zeitpunkt an. Wie aus Fig. 2 zu erkennen ist, fließen
die Störströme auch über die horizontalen Verbindungsleitungen zu den beiden Dipolen.
Es zeigt sich dabei, daß die Störströme auf den beiden Dipolhälften beide auf die
Anschlußpunkte der Dipole zu fließen. Diese Erscheinung wird erfindungsgemäß dazu
ausgenutzt, die Störströme durch eine geeignete Schaltung der Dipole zu kompensieren.
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Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel einer Hilfsantennenanordnung,
bestehend aus Dipolen 1 und 2 und einer Peilantenne 3, von der nur die Umrisse dargestellt
sind. Die Einzelheiten der Peilantenne, insbesondere deren Schaltung, wurden der
tSbersichtlichkeit halber weggelassen. Die beiden Dipole 1 und 2 sind diametral
bezüglich der vertikalen Symmetrieachse der Peilantenne angeordnet. Sowohl die oberen
als auch die unteren Dipolhälften sind über horizontal verlaufende Verbindungsleitungen
im gleichen Sinne parallel geschaltet. Die miteinander verbundenen Dipolhälften
sind an die Primärwicklung eines Übertragers 4 angeschlossen. Die Sekundärwicklung
des Übertragers 4 ist über einen Mittelabgriff mit Masse verbunden, während an die
beiden Anschlüsse der Sekundärwicklung ein Hilfsantennenkabel 5, im vorliegenden
Beispiel eine abgeschirmte Zweidrahtleitung, angeschlossen ist.
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Um die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Hilfsantennenanordung
verständlich zu machen, sind längs der vertikalen Dipolteile Pfeile eingezeichnet,
die die verschiedenen an den Dipolhälften auftretenden Ströme charakterisieren sollen.
Die eigentlichen der Rundspannung proportionalen Nutzströme sind als ausgezogene
Pfeile dargestellt. Diese Ströme mögen zu einem bestimmten Zeitpunkt von oben nach
unten fließen. Da die Nutzströme sowohl in den oberen Dipolhälften als auch in den
unteren Dipolhälften stets in gleicher Richtung fließen, werden sich diese Ströme
in der Primärwicklung des Transformators bei der erfindungsgemäßen Parallelschaltung
der Dipole unterstützen. Die Störströme haben zum betrachteten Zeitpunkt die Richtungen
der gestrichelten Pfeile. Sie fließen in entgegengesetzter Richtung über die Primärwicklung
des Übertragers 4 und über immer vorhandene Koppelkapazitäten nach Masse ab, derart,
daß bei völliger Symmetrie in der Sekundärwicklung des Übertragers keine Spannung
auftreten würde. Da sich jedoch die oberen und unteren Dipolhälften wegen der unterschiedlichen
kapazitiven Verkopplung mit dem Mast und damit mit Masse geringfügig unterscheiden,
verbleibt in der Sekundärwicklung des Übertragers 4 eine Störspannung, die der Differenz
der Störströme der oberen und unteren Dipolhälften entspricht. Da ein verschiebbarer
Abgriff zum Ausgleich der jeweils vorhandenen Unsymmetrien an der Wicklung eines
Transformators praktisch nicht realisierbar ist, wird die Primärwicklung zweckmäßig
nicht an Masse gelegt. Zur Symmetrierung der oberen und unteren Dipolhälften sieht
man vorteilhafterweise einen Differentialkondensator 6 vor, dessen verschiebbare
Platte mit Masse verbunden ist. Bei geeigneter Einstellung des Differentialkondensators
werden die Ungleichheiten der Dipolhälften ausgeglichen, so daß die zum Differentialkondensator
hin fließenden, in Fig. 3 als gestrichelte Pfeile dargestellten Störströme genau
gleich groß sind. Sie durchfließen die Primär-111
wicklung in entgegengesetzten
Richtungen und rufen infolgedessen jetzt am Ausgang des Transformators 4 keine Spannung
hervor. Da die Ströme in den oberen Dipolhälften erfahrungsgemäß stets größer als
die Ströme in den unteren Dipolhälften sind, läßt sich eine Symmetrierung auch dadurch
erreichen, daß der Anschlußpunkt der oberen Dipolhälften mit der Primärwicklung
des Transformators 4 über einen - vorzugsweise verstellbaren - Kondensator mit Masse
verbunden ist. Bei richtiger Einstellung ist auch in diesem Fall der über diesen
Kondensator nach Masse abfließende Strom gerade so groß, daß die die Primärwicklung
in entgegengesetzten Richtungen durchfließenden Störströme gleiche Größe aufweisen.
Diese Kompensationseinrichtung hat auf die Nutzströme, die die Primärwicklung im
gleichen Sinne durchfließen, keinen Einfluß.
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Eine weitere Möglichkeit zur Herstellung völliger Symmetrie der Störströme
von den oberen und unteren Dipolhälften besteht darin, daß man den Dipolhälften
unterschiedliche Länge und/oder unterschiedliche Gestalt gibt.
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Bekanntlich ist der Antennenwiderstand von Dipolen rein kapazitiv,
solange die Länge der Dipolhälften klein gegen eine Viertelbetriebswellenlänge ist.
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Da bei direktem Anschluß der Dipole an ein symmetrisches Kabel oder
Anschluß über einen Übertrager starke Fehlanpassungen auftreten, empfiehlt es sich,
zwischen Antenne und Kabeleingang einen üblichen Anpassungsvierpol einzuschalten,
der die Antennenimpedanz an den Kabelwellenwiderstand anpaßt. Derartige Vierpole
sind in den Fig. 4 und 5 dargestellt. Dabei ist willkürlich angenommen, daß die
Vierpole zwischen Transformatorausgang und Kabel eingang eingeschaltet sind. In
den Schaltskizzen der Fig. 4 und 5 ist der Transformator 4 jeweils noch einmal eingezeichnet.
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Die Kapazität der Dipole erscheint am Transformatorausgang ebenfalls
als Blindwiderstand, der im allgemeinen kapazitiv ist. In der Schaltung gemäß Fig.
4 werden in Serie zu diesem kapazitiven Blindwiderstand ohmsche Widerstände 7 gelegt.
Die kapazitive Blindkomponente des durch Serienschaltung von Kapazität und den ohmschen
Widerständen 7 entstehenden komplexen Widerstandes wird durch einen induktiven Querwiderstand
8 kompensiert, so daß die Impedanz am Ausgang des Vierpols zumindest bei einer Frequenz
rein reell ist.
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Eine noch bessere und breitbandigere Anpassung schafft der Anpassungsvierpol
gemäß Fig. 5. Dort wird der parallel zur Sekundärwicklung des Transformators 4 liegende
kapazitive Widerstand zunächst durch Serieninduktivitäten 9 kompensiert. Durch ohmsche
Widerstände 10 erreicht man die erforderliche Breitbandigkeit. Der zwischen den
ohmschen Widerständen 10 eingeschaltete gedämpfte Querparallelresonanzkreis 11 dient
dazu, den Frequenzgang des aus der Dipolkapazität und. den Längsinduktivitäten 9
gebildeten Serienresonanzkreises über einen großen Frequenzbereich zu kompensieren.
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Die in den Fig. 4 und 5 dargestellten Anpassungsvierpole könnten
natürlich auch unsymmetrisch ausgebildet sein, derart, daß jeweils nur ein ohmscher
Widerstand 7 bzw. nur eine Induktivität 9 und ein ohmscher Widerstand 10 vorgesehen
ist. Aus Gründen der Symmetrie empfiehlt sich jedoch die Ausbildung gemäß den Fig.
4 und 5.
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Den konstruktiven Aufbau einer Peilantenne unter Verwendung einer
erfindungsgemäßen Hilfsantennenanordnung und unter Verwendung eines in der Patentanmeldung
T 12038 VIII a/21 a4 beanspruchten Kreuz-
rahmens zeigt Fig. 6. Das obere Ende eines
Schiffsmastes 12 sowie eine an dieses Ende angeschweißte horizontale Platte 13,
auf welcher die Peilantenne befestigt ist, sind gestrichelt dargestellt. Von dem
Kreuzrahmen sind die vertikalen Leiterteile 14 und 15 sichtbar, genau hinter diesen
Leiterteilen liegen die zwei weiteren vertikalen Leiter des Kreuzrahmens. In Verlängerung
des Schiffsmastes in der vertikalen Symmetrieachse der Antennenanordnung verläuft
ein elektrisch leitendes Metallrohr 16, in dessen unterer Hälfte die Antennenkabel
verlaufen und -das außerdem eine Masseverbindung zwischen den neutralen Punkten
der Peilrahmen und Masse herstellt. Zur elektrischen Verbindung der oberen Enden
der vertikalen Leiterabschnitte 14 und 15 mit den in der Darstellung der Fig. 6
nicht sichtbaren, genau hinter diesen Leiterabschnitten verlaufenden weiteren zwei
vertikalen Leiterabschnitten des Kreuzrahmens und dem Rohr 16 ist eine im dargestellten
Ausführungsbeispiel kalottenförmig ausgeführte Platte 17 vorgesehen. Die Verbindung
zwischen den vertikalen Leiterteilen des Kreuzrahmens sowie dem Rohr 16 erfolgt
über Kurzschlußverbindungen. Die unteren Enden der vertikalen Leiterteile des Kreuzrahmens
sind über eine Platte 18 elektrisch leitend miteinander verbunden. Aus fertigungstechnischen
Gründen gibt man der Platte 18 zweckmäßig eine der Platte 17 entsprechende Gestalt.
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Die Hilfsantennenanordnung gemäß einer Ausführungsform der Erfindung
besteht aus vier vertikal angeordneten Dipolen, von denen nur die Dipole 19, 20
und 21 sichtbar sind. Der vierte Dipol liegt in der Darstellung der Fig. 6 genau
hinter dem Dipol 20. Die Befestigung der vier Dipole an einem Gehäuse 24 geschieht
mittels starker Verbindungsstege22, an welche die Dipolanschlußenden umfassende
Rohrstücke 23 angeschweißt sind. Die Verbindungsstege 22, die Rohrstücke 23 und
das Gehäuse 24 bestehen aus einem witterungsbeständigen Isolierstoff, z. B. Polyester.
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Das Gehäuse 24 dient zur Aufnahme des Anpassungstransformators der
Hilfsantennenanordnung sowie der Symmetriereinrichtungen und eventuell zur Unterbringung
der Anpassungsvierpole. Auch die Kreuzverbindungen zwischen den symmetrischen Hälften
der Peilrahmen des Kreuzrahmens sowie die Anpassungstransformatoren der Peilrahmen
sind im Innern des Gehäuses 24 angeordnet.
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In dem Ausführungsbeispiel der Fig. 6 liegen die Hilfsantennendipole
jeweils symmetrisch zum Kreuzrahmen, oder - anders ausgedrückt - die Hilfsantennendipole
liegen in den Winkelhalbierenden zu den Rahmenflächen. Diese symmetrische Anordnung
von Kreuzrahmen und Hilfsantennendipolen empfiehlt sich aus konstruktiven Gründen.
Es ist jedoch jede Winkelstellung der Hilfsantennenanordnung zu den Rahmenflächen
des Kreuzrahmens möglich. So könnten z. B. auch die Dipole in den durch die Peilrahmen
definierten Flächen selbst verlaufen. Die Hilfsantennenanordnung muß natürlich nicht
auf der gleichen Höhe wie der Peilrahmen angeordnet sein, er könnte z. B. auch oberhalb
des Peilrahmens liegen. Diese Anordnung wird jedoch aus elektrischen Gründen weniger
zu empfehlen sein, da in diesem Fall die Dipolhälften infolge des unterschiedlichen
Abstandes von der Peilantenne durch die störenden Vertikalströme relativ stark unsymmetrisch
belastet werden würden.
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Wenn auch die erfindungsgemäße Hilfsantennenanordnung im Zusammenhang
mit aus Peilrahmen bestehenden Peilantennen beschrieben wurde, so soll damit doch
keinesfalls eine Einschränkung zum Ausdruck gebracht werden. In gleicher Weise wie
bei
Peilrahmen ist die erfindungsgemäße Hilfsantennenanordnung auch
bei anderen Peilantennen, z. B.
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Adcockantennenanordnungen, zu verwenden.