DE102005040378A1

DE102005040378A1 - Horizontal isotropic ultra broadband antenna e.g. for radar systems and multi-volume portable radio systems, has thickened monopole provided as resonator and amplifier, which amplifies output signal to processable level

Info

Publication number: DE102005040378A1
Application number: DE200510040378
Authority: DE
Inventors: Niels Dernedde; Thomas Lorenz
Original assignee: Individual
Current assignee: Radontec De GmbH
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2007-03-01
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: DE102005040378B4

Abstract

The horizontal isotropic ultra broadband antenna has a thickened monopole provided as a resonator and an amplifier, which amplifies the output signal of the monopole to a processable level. The length of the monopole is selected so that its resonance range lies above a specified frequency range of the antenna and is selected so that that resulting thickness provides a moderate adjusted rise to the peak of its resonance range into for instance and a reduction of amplification of an appropriate amplifier.

Description

Beschreibung der ErfindungDescription of the invention

Stand der TechnikState of the art

Das Funktionsprinzip des dicken Monopols ist bekannt. Auch die einzelnen Schaltungselemente sind formell bekannt, wenngleich nicht in der hier vorgestellten Anwendung bzw. Kombination. Die o.g. Komponenten jeweils für sich allein genommen sind in der einschlägigen Fachliteratur beschrieben. Zu den nachfolgend vorgestellten Neuerungen konnten jedoch weder Fachliteratur noch entgegenstehende Patentschriften ermittelt werden.The Functional principle of the thick monopole is known. Also the individual Circuit elements are formally known, although not in the here presented application or combination. The o.g. components each for taken alone are described in the relevant literature. However, neither of the innovations presented below was able to do so Technical literature still conflicting patents are determined.

Nachteile der Antennen gemäß dem Stand der Technikdisadvantage the antennas according to the state of the technique

Der Frequenzgang eines des höheren Gewinns wegen üblicherweise in seinem Resonanzbereich betriebenen dicken Monopols fällt naturgemäß an seinen Grenzen deutlich ab und zwar um so mehr, je größer die zu untersuchende Bandbreite gewählt wird. Je niedriger die zu messende Hochfrequenz in Relation zur Resonanzfrequenz des Monopols ist, desto mehr geht der dicke Monopol in einen "Hertzschen Monopol" über (darunter verstehen wir im Folgenden einen Resonator des bekannten "Hertz'schen Dipols", also einen in Relation zur Wellenlänge verschwindend kleinen Resonator). Der Gewinn liegt dann nur noch bei einem winzigen Bruchteil dessen, der im Resonanzbereich erreicht wird, da nur noch die elektrische Feldstärke ausgekoppelt wird. Außerdem gibt es im Übergangsbereich von der "Dicken-Monopol-Charakteristik" in die "Hertz'sche-Monopol-Charakteristik" starke Verzerrungen im Frequenzverlauf.Of the Frequency response of one of the higher Profit usually in his resonance range operated thick monopoly naturally falls to his Limits significantly and indeed the more, the greater the bandwidth to be examined chosen becomes. The lower the high frequency to be measured in relation to the resonance frequency monopoly, the more the monopoly goes into a "Hertzian monopoly" (we mean by that in the following a resonator of the well-known "Hertzian dipole", thus disappearing in relation to the wavelength small resonator). The profit is then only at a tiny fraction that which is achieved in the resonance range, since only the electrical field strength is decoupled. Furthermore exists in the transition area from the "thickness-monopole-characteristic" into the "Hertzian-monopole-characteristic" strong distortions in the frequency response.

Aufgabenstellungtask

Aufbauend auf dem Stand der Technik haben wir uns die Aufgabe gestellt, eine Antenne zu entwickeln, welche den sinnvoll nutzbaren Frequenzbereich des dicken Monopols deutlich erweitert und dabei die oben genannten Nachteile der bekannten Lösung gemäß dem Stand der Technik vermeidet.Building In the state of the art we have set ourselves the task, one Antenna to develop which is the useful frequency range the thick monopoly significantly extended while the above Disadvantages of the known solution according to the state the technology avoids.

Beschreibung und Neuheitsgehalt der Erfindungdescription and novelty content of the invention

In der Erfindung werden das Prinzip des Hertz'schen Monopols für die in niedrigeren Frequenzen und ein dicker Monopol für die höheren Frequenzen verwendet und deren Übergang durch eine geeignete mechanische Ausformung geglättet. Nach oben wird der lineare Frequenzbereich dadurch erweitert, dass der Gewinn linear bis zur oberen Grenze des spezifizierten Frequenzbereiches ansteigt, da der Monopol so dimensioniert ist, dass dessen Resonanzbereich oberhalb des spezifizierten Frequenzbereiches liegt und dadurch größenordnungsmäßig den bauartbedingten Abfall des Vorverstärkers kompensiert. Das Prinzip wird in Zeichnung 2 illustriert.In of the invention become the principle of Hertzian monopoly for those in lower frequencies and a big monopoly for the higher ones Frequencies used and their transition smoothed by a suitable mechanical shaping. Upwards is the linear one Frequency range thereby extended, that the profit linearly up to upper limit of the specified frequency range increases since the monopole is dimensioned so that its resonance range above of the specified frequency range and thereby on the order of magnitude compensated for design-related drop of the preamplifier. The principle is illustrated in drawing 2.

Zeichnung 1 zeigt die prinzipielle Ausformung der Erfindung.drawing 1 shows the basic embodiment of the invention.

Die Länge des dicken Monopols (Zeichnung 1, 1) ist so dimensioniert, dass sein Resonanzbereich über dem für die Antenne spezifizierten Frequenzbereich liegt. Seine Dicke ist so gewählt, dass sie einen vorteilhaft sanften Einstieg der Antennengewinnkurve zeigt, welche korrespondiert mit dem im oberen Grenzbereich des eingesetzten HF-Verstärkers (Zeichnung 1, 6) größenordnungsmäßig invers verlaufenden Frequenzabfalls (Zeichnung 2). Gemäß dem Stand der Technik wird ein dicker Monopol im Resonanzbereich betrieben um die Resonanzüberhöhung zu nutzen, wobei die oben beschriebenen Nachteile in Kauf genommen werden. Neu ist in der hier vorgestellten Erfindung die Nutzung des Frequenzbereiches unterhalb des Resonanzbereiches des Monopols zu Gunsten eines homogeneren Frequenzverlaufes und neu ist auch die Nutzung des kompensierenden Effektes des mit steigender Frequenz bauartbedingten Abfalls der Verstärkungsleistung des HF-Verstärkers an der Obergrenze und oberhalb von dessen spezifiziertem Arbeitsbereich.The Length of the thick monopoly (drawing 1, 1) is dimensioned to be that Resonance range over for the antenna specified frequency range lies. His thickness is chosen so that they have a beneficial gentle entry of the antenna gain curve shows which corresponds to the upper limit of the used RF amplifier (Drawing 1, 6) order of magnitude inverse running frequency drop (drawing 2). According to the prior art is a thick monopole in the resonance range operated for the resonance peaking use, with the disadvantages described above accepted become. New in the invention presented here is the use the frequency range below the resonance range of the monopole in favor of a more homogeneous frequency response and is also new Use of the compensating effect of with increasing frequency design-related drop in the amplification power of the RF amplifier the upper limit and above its specified working range.

Für die höheren genutzten Frequenzen (also "von unten in der Nähe des Resonanzbereiches") agiert die vorzugsweise kreisförmige, leitende Scheibe (Zeichnung 1, 2), die isoliert zum Monopol angebracht ist, als dessen virtuelle Masseebene, also sein Bezugspotenzial. Der Radius der Scheibe ist etwas größer als die Länge des Mono pols zu wählen. Zur Verhinderung von störenden Mantelströmen wird für hohe Frequenzen die virtuelle Masseebene (Zeichnung 1, 2) durch ein Ringferrit vom Gehäuse und der Zuleitung entkoppelt. Das Ringferrit ist vom Durchmesser etwas kleiner als die o.g. Massescheibe.For the higher used Frequencies (ie "from down near here of the resonance range ") acts the preferably circular, conductive disk (drawing 1, 2), which is mounted isolated to the monopoly is, as its virtual ground plane, so its reference potential. The radius of the disc is slightly larger than the length of the disc Mono pols to choose. To prevent disturbing sheath currents is for high frequencies the virtual ground plane (drawing 1, 2) a ring ferrite from the case and the supply line decoupled. The ring ferrite is of diameter a bit smaller than the o.g. Mass disc.

Wenn die Wellenlänge unter etwa einem Viertel der Wellenlänge des Resonanzbereichs des Monopols liegt, geht sein Verhalten von dem eines dicken Monopols in das eines Hertz'schen Monopols über. In diesem Fall stellt die Erdoberfläche das Bezugspotenzial dar.If the wavelength below about one quarter of the wavelength of the resonance range of the Monopoly lies, his behavior is that of a thick monopoly into a Hertzian Monopoly over. In this case, the earth's surface represents the reference potential.

Zwischen etwa der Hälfte und einem Viertel des Resonanzbereichs ergibt sich ein Unschärfebereich, in welchem die theoretisch ermittelten Frequenzverlaufskurven der "Dicken-Monopol-Charakteristik" und der "Hertz'schen-Monopol-Charakteristik" sehr schlecht mit den praktisch darstellbaren Verläufen harmonieren, weil die leitfähige Peripherie (Zu-/Ableitung, Verstärkungsschaltung, Gehäuse etc.) den idealen Verlauf stört. In diesem Übergangsbereich ergibt sich normalerweise ein starker Einbruch im unteren und eine Überhöhung im oberen Bereich des Frequenzverlaufs. Diese werden erfindungsgemäß durch die Dimensionierung des Verstärkergehäuses bzw. deren koaxiale Zu-/Ableitung deutlich verringert. Als Größenordung eignet sich das ca. Fünf- bis Zehnfache der Resonatorlänge.Between about half and a quarter of the resonance range results in a blur area, in which the theoretically determined frequency response curves of the "thickness monopole characteristic" and the "Hertzian monopole characteristic" very bad the practically representable courses harmonize because the conductive Periphery (supply / discharge, amplification circuit, casing etc.) disturbs the ideal course. In this transitional area usually results in a strong break in the lower and an increase in the upper range of the frequency response. These are inventively the dimensioning of the amplifier housing or their coaxial supply / discharge significantly reduced. As an order of magnitude is the approx. to ten times the resonator length.

Der Monopol wird durch ein L-Glied (Zeichnung 1, 4) stark bedämpft. Diese Maßnahme wird nach dem Stand der Technik normalerweise gerade nicht angewandt, weil nach gängiger Auffassung damit nur Energie verloren wird. In diesem Zusammenhang wurde jedoch gezeigt, dass damit der Resonanzkreis des Eingangs deutlich beruhigt und der Frequenzgang gerade im oberen Frequenzbereich erheblich verbessert werden konnte.Of the Monopole is heavily attenuated by an L-member (drawing 1, 4). These measure is not normally used in the prior art, because more common View that only energy is lost. In this context However, it was shown that so the resonant circuit of the input clearly calms and the frequency response, especially in the upper frequency range considerably could be improved.

Die Auskopplung aus dem L-Glied erfolgt erfindungsgemäß als Spannungsauskopplung über einen hochohmig verschalteten HF-Verstärker (Zeichnung 1, 6). Im Gegensatz zur üblichen Leistungsanpassung wird hier also eine bewusste Fehlanpassung vorgenommen. Damit erreichen wir durch Reduktion von Mantelströmen und internen Resonanzen einen nochmals verbesserten Frequenzgang im unteren Frequenzbereich.The Decoupling from the L-element takes place according to the invention as voltage extraction via a high impedance switched RF amplifier (Drawing 1, 6). In contrast to the usual power adjustment is So here made a deliberate mismatch. Achieve that we by reducing sheath currents and internal resonances a further improved frequency response in the lower frequency range.

Eine mögliche Dimensionierung einer konkreten Ausformung der o.g. Antenne für einen Frequenzbereich vom niedrigen MHz-Bereich bis in den Bereich von ca. 4 MHz ist die folgende: Resonator (Durchmesser/Länge): 8 mm/17,5 mm Massescheibe (Durchmesser): 60 mm Ferritring (Durchmesser/Ringquerschnitt): 31 mm/5 × 8 mm Gehäuse für Verstärker (Länge/Breite/Dicke): 67 mm/15 mm/15 mm Koaxiale Verlängerung (Länge): 48 mm L-Glied (in Reihe/gegen Masse): 25 Ohm/35 Ohm Verstärker (Eingangimpedanz/Grenzfrequenz): > 100 Ohm/2,6 GHz (–3dB) A possible dimensioning of a specific embodiment of the above-mentioned antenna for a frequency range from the low MHz range to the range of approximately 4 MHz is the following: Resonator (diameter / length): 8 mm / 17.5 mm Mass disc (diameter): 60 mm Ferrite ring (diameter / ring cross-section): 31 mm / 5 × 8 mm Case for amplifier (length / width / thickness): 67 mm / 15 mm / 15 mm Coaxial extension (length): 48 mm L member (in series / against mass): 25 ohms / 35 ohms Amplifier (input impedance / cutoff frequency): > 100 ohms / 2.6 GHz (-3dB)

Claims

A horizontal isotropic ultra-wideband antenna having a thick monopole as a resonator and an amplifier, which amplifies the output signal of the monopole to an evaluable level, characterized in that the length of the thick monopole is chosen such that its resonance range is above the specified frequency range of the antenna and its thickness is so it is chosen that the resulting attenuated rise to the vertex of its resonance range approximately equalizes the gain drop of a correspondingly sized amplifier.

Horizontal isotropic ultra-wideband antenna according to claim 1, characterized in that a conductive, preferably round reference ground plane of a radius that is slightly larger as the length of the monopole is mounted under the resonator, this being isolated is passed through a hole in the middle to an amplifier unit and directly below the ground plane a ring ferrite is attached, which is smaller than the ground plane, but is big enough, around the shielded amplifier unit include, wherein the electrical length of the amplifier housing, if necessary with a conductive renewal at about the fifth up to ten times the length of the resonator is brought.

Horizontal isotropic ultra-wideband antenna according to claim 1 or 2, characterized in that the feeding point of the resonator damped with an L-link is and the signal applied here by an amplifier high impedance is decoupled.