DE102005040378B4

DE102005040378B4 - Horizontal isotropic ultra-wideband antenna

Info

Publication number: DE102005040378B4
Application number: DE102005040378.6A
Authority: DE
Inventors: Patentinhaber gleich
Original assignee: Individual
Current assignee: Radontec De GmbH
Priority date: 2005-08-25
Filing date: 2005-08-25
Publication date: 2017-02-09
Anticipated expiration: 2025-08-26
Also published as: DE102005040378A1

Abstract

Horizontal isotrope Ultrabreitbandantenne mit einem Dicken Monopol als Resonator und einem Verstärker, welcher das Ausgangssignal des Monopols auf einen auswertbaren Pegel verstärkt dadurch gekennzeichnet, dass die Länge des dicken Monopols so gewählt ist, dass sein Resonanzbereich oberhalb des spezifizierten Frequenzbereiches der Antenne liegt und seine Dicke so gewählt ist, dass der sich hieraus ergebende, abgedämpfte Anstieg zum Scheitelpunkt von dessen Resonanzbereich den Verstärkungsabfall eines entsprechend dimensionierten Verstärkers ausgleicht.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 damped rise to the vertex of its resonance range compensates for the gain drop of a correspondingly sized amplifier.

Description

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.The functional principle of the thick monopole is known. The individual circuit elements are formally known, although not in the application or combination presented here.

Als nächstliegender Stand der Technik werden die folgenden Druckschriften betrachtet:
DE 2115657 A1
DE 21 66 898 C2 .As the closest prior art, the following references are considered:
DE 2115657 A1
DE 21 66 898 C2 ,

Die in diesen Schriften beschriebenen Antennen basieren jedoch sowohl geometrisch, wie auch schaltungstechnisch auf zu der hier neu vorgestellten Erfindung unterschiedlichen Ansätzen. Das betrifft insbesondere die Ausformung des Resonators und des Bezugspotenzials, sowie die bestimmenden Komponenten der Beschaltung.However, the antennas described in these documents are based both geometrically, as well as circuit technology on the invention differently presented here approaches. This concerns in particular the shape of the resonator and the reference potential, as well as the determining components of the circuit.

Nachteile der Antennen gemäß dem Stand der TechnikDisadvantages of the antennas according to the prior art

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 ”Hertz'schen 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.Naturally, the frequency response of a thicker monopole, which is usually operated in its resonance range, falls significantly at its limits, and indeed the more so, the greater the bandwidth to be examined is selected. The lower the high frequency to be measured in relation to the resonance frequency of the monopole, the more the thick monopole goes into a "Hertzian monopole" (in the following we mean a resonator of the well-known "Hertzian dipole", ie one in relation to the wavelength vanishingly small resonator). The profit is then only at a tiny fraction of what is achieved in the resonance range, since only the electric field strength is decoupled. Moreover, in the transition region from the "thickness monopole characteristic" to the "Hertzian monopole characteristic", there are 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 on the state of the art, we have set ourselves the task of developing an antenna which significantly expands the useful usable frequency range of the thick monopole and thereby avoids the above-mentioned disadvantages of the known solution according to the prior art.

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 the invention, the principle of Hertzian monopole is used for those at lower frequencies and a thicker monopole for the higher frequencies and their transition is smoothed by a suitable mechanical shaping. To the top, the linear frequency range is broadened by increasing the gain linearly to the upper limit of the specified frequency range, since the monopole is dimensioned such that its resonance range is above the specified frequency range and thereby compensates, on the order of magnitude, for the 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 monopole (drawing 1, 1 ) is dimensioned such that its resonance range is above the frequency range specified for the antenna. Its thickness is chosen so that it shows an advantageously smooth entry of the antenna gain curve, which corresponds to the upper limit of the used RF amplifier (Figure 1, 6 ) order of magnitude inverse frequency decay (Figure 2). According to the state of the art, a thick monopole is operated in the resonance region in order to utilize the resonance peaking, with the disadvantages described above being accepted. What is new in the invention presented here is the use of the frequency range below the resonance range of the monopole in favor of a more homogeneous frequency response, and the use of the compensating effect of the design-related decay of the amplification power of the RF amplifier at the upper limit and above its specified one is also new Workspace.

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 Monopols 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 frequencies used (ie "from below in the vicinity of the resonance range"), the preferably circular, conductive disk (drawing 1, FIG. 2 ), which is mounted isolated to the monopoly, as its virtual ground plane, ie its reference potential. The radius of the disc is slightly larger than the length of the monopole to choose. To prevent disturbing sheath currents, the virtual ground plane (drawing 1, FIG. 2 ) decoupled by a ring ferrite from the housing and the supply line. The ring ferrite is slightly smaller in diameter than the above-mentioned 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 is less than about one quarter of the wavelength of the resonance region of the monopole, its behavior changes from that of a thick monopole to that of a Hertzian monopole. 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 one 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" harmonize very poorly with the practically representable courses, because the conductive periphery (supply / discharge, amplification circuit, housing, etc.) disturbs the ideal course. In this transitional area normally results in a strong break in the lower and an increase in the upper part of the frequency response. These are significantly reduced according to the invention by the dimensioning of the amplifier housing or their coaxial inlet / outlet. The order of magnitude is approximately five 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.The monopoly is represented by an L member (drawing 1, 4 ) strongly attenuated. This measure is usually not used in the prior art, because it is commonly believed that only energy is lost. In this context, however, it was shown that the resonance circuit of the input was significantly calmed and the frequency response could be significantly improved, especially in the upper frequency range.

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 a voltage decoupling via a high-impedance interconnected RF amplifier (drawing 1, 6 ). In contrast to the usual performance adjustment, therefore, a deliberate mismatch is made here. By reducing the sheath currents and internal resonances, we achieve 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 (–3 dB) 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 (-3 dB)

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 damped rise to the vertex of its resonance range compensates for the gain drop of a correspondingly sized amplifier.

A horizontal isotropic ultra-wideband antenna according to claim 1, characterized in that a conductive, preferably round reference ground plane of a radius greater than the length of the monopole is mounted under the resonator, isolated through a hole in the center to an amplifier unit is guided and directly below the ground surface, a ring ferrite is attached, which is smaller than the ground surface, but sufficiently large to include the shielded amplifier unit, wherein the electrical length of the amplifier housing, optionally with a conductive extension to the five 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 feed point of the resonator is attenuated with an L-element and the signal applied here is coupled by a high impedance amplifier.