DE102013014170B4

DE102013014170B4 - Breitbandige Empfangsantenne

Info

Publication number: DE102013014170B4
Application number: DE102013014170.2A
Authority: DE
Inventors: Peter Sebastian Schramm
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2013-08-26
Filing date: 2013-08-26
Publication date: 2023-11-02
Anticipated expiration: 2033-08-27
Also published as: DE102013014170A1

Abstract

Breitbandige Empfangsantenne mit einem stabförmigen Dipol (1), dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dipol (1) in einer Reihe (3) hintereinander mehrere, elektrisch leitende und in ihren Radien verschiedene Kugeln (2) angeordnet sind, die elektrisch miteinander verbunden sind.

Description

Die Erfindung betrifft eine breitbandige Empfangsantenne nach dem OberbegrifF des Anspruchs 1.
Derartige Empfangsantennen dienen insbesondere dem Empfang des digitalen terrestrischen Fernsehens (DVB-T). Dabei weist die bekannte Empfangsantenne einen Dipol auf, mit einer Resonanzfrequenz von 577 MHz (Wellenlänge ca. 520 mm) und einer Länge von 260 mm. DE 11 09 748A offenbart eine breitbandige Empfangsantenne mit einem Dipol. US 2006 / 0 208 953 A1 offenbart eine breitbandige Empfangsantenne mit einem stabförmigen Pol und einer elektrisch leitenden Kugel.
EP 1 500 166 B1 offenbart eine breitbandige Empfangsantenne mit einem stabförmigen Dipol, an dem in einer Reihe hintereinander mehrere, elektrisch leitende Kugeln angeordnet sind, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Empfangsantenne der gattungsgemäßen Art so weiterzuentwickeln, dass ihr Empfangsbereich verbessert wird.
Diese Aufgabe wird durch eine Empfangsantenne mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
Die neue Antenne ist relativ klein, besitzt etwa die gleiche Länge wie ein für vergleichbare Frequenzen geeigneter Dipol. Sie ist ein Rundstrahler, parallel zu ihrer Ausrichtung, wenn die Antenne vertikal aufgestellt wird, ist ihr Feld vertikal polarisiert, horizontale Ausrichtung führt zu horizontaler Polarisation, allerdings nicht mehr rundstrahlend. Ihr Strahlungsdiagramm entspricht also etwa dem eines Dipols. Allgemein kann man diese Antenne auch mit mechanisch dicken Strahlern vergleichen, deren Dicke allerdings mit der Hohe variiert (Kugelform). Sowohl mechanisch dicke, wie auch diese Antenne haben eine höhere Bandbreite als ein Normdipol. Allerdings hat diese Antennenform eine Bandbreite, die nicht allein durch die Breitbandigkeit bei dicken Strahlern erreicht wird, sondern auf einem anderen Mechanismus basiert.
Die Erfindung schafft weiter eine Antenne primär für den Frequenzbereich von ca. 450 MHz bis ca. 1250 MHz (DVB-T, D - Netz). Sie ist natürlich redimensioniert auch für andere große Frequenzbereiche geeignet. Die Antenne beruht auf einem gestreckten Dipol, der durch Einbringen von kugelförmigen Elementen breitbandig gemacht wird. Zur Konstruktion der Antenne geht man von einem normalen dünnen Dipol für die Resonanzfrequenz 577 MHz aus (Wellenlänge ca. 520 mm, Dipollange ca. 260 mm). Dann fädelt man elektrisch leitende Kugeln auf beide Strahlerhälften, so dass der Dipol die Kugeln genau im Durchmesser durchstößt (mittige Anbringung van Kugeln). Die Kugeln befinden sich dann auf dem Dipol und berühren sich idealerweise in einem Punkt, allerdings auch idealerweise verlustfrei. Weil die verlustfreie Kontaktierung nicht gegeben werden kann, muss man hier bestimmte (reelle) Übergangswiderstände in Kauf nehmen.
Vorteilhafte Weiterbildungen der Erfindung sind in den Unteransprüchen gekennzeichnet.
Ausführungsbeispiele der Erfindung werden nachfolgend anhand der beigefügten Zeichnungen beschrieben.
Es zeigen:

1a)-c) verschiedene Ausführungsbeispiele der Erfindung jeweils in einer schematischen Seitenansicht,
2 ein weiteres Ausführungsbeispiel, gleichfalls schematisch dargestellt,
3 VSWR-Diagramm.

In 1c) sind die Kugeln 2 so aufgefädelt, dass die kleinste von 4 Kugeln 2 am weitesten in der Mitte liegt. Generell gesprochen, ist es möglich und auch technisch interessant, wenn man die Anordnung der Kugeln 2 so willkürlich wählt. In 1a) liegt die größte Kugel 2 allerdings in der Mitte und die kleineren Kugeln 2 liegen am Strahlerende, also genau umgekehrt, wie in 1 c). Der technische Nutzen liegt jetzt darin, dass durch das Einbringen von Kugeln 2 die Antenne ihre Eigenschatten vom gestreckten Dipol 1 hin zu denen eines dickeren verändert. Ein gestreckter Dipol 1 für 577 MHz hat bei einem Durchmesser von 5 mm etwa eine Impedanz von 72 Ohm für die Speisung, eine Bandbreite von ca. 20 MHz und ein rundes Strahlungsdiagramm, wenn senkrecht zum Boden aufgebaut (vertikale Polarisation). Bringt man eine große Kugel (r ≃ λ 8) an den Anfang der beiden Strahlerhälften, so bemerkt man schon eine Veränderung der Resonanz. Die Antenne wird breitbandiger und die Resonanzfrequenz sinkt leicht. Dies resultiert daraus, dass die Antenne dicker wird. Dies ist das gleiche Prinzip, nach dem dicke Dipole 1 eine höhere Bandbreite und eine tiefere Resonanzfrequenz haben.
Bringt man jetzt mehr Kugeln 2 auf den Strahler, so berühren sich die Kugeln 2 und leiten die Hochfrequenzweiter. Dies ist, wie schon erwähnt, nichtverlustfrei möglich, allerdings lasst sich mit guter Lötechnik oder allgemein guter Verarbeitung ein guter Wert erzielen, der diesen Effekt vernachlässigt. Durch das Einbringen einer zweiten Kugel erreicht man neben der weiteren Verdickung des Dipols 1 eine größere Auswahl für Resonanzfrequenzen Dies rührt von der kugelförmigen Oberflache des Strahlers her, auf der sich parallel mehrere Resonanzwege für die HF finden. Durch das Einbringen von Kugeln 2 ergibt sich also, ähnlich wie bei einer klassischen selbstähnlichen Antenne, ein weiterer Resonanzbereich. Die Antenne wird deutlich breitbandiger mit der Anzahl der Kugeln 2, weil sie pro Kugel einen weiteren Resonanzbereich zugeordnet bekommt. Die Antenne gehört also zur Familie der selbstähnlichen Antennen, wenn der Kugeldurchmesser konstant sinkt oder steigt, man also eine „Kette“ mit immer kleiner oder größer werdenden Kugeln 2 erhalt. Sie hat sogar fraktale Eigenschaften, da die Kugeln 2 sich selbstwiderspiegeln und dieselbe Struktur weder im Kleinen oder Großen zu finden ist.
Wie schon oben erwähnt, lassen sich die Kugeldurchmesser auch in einer willkürlichen Reihenfolge anwenden. Dabei entstehen dann Gebilde wie in 1b), Mitte. Zum mechanischen Aufbau lasst sich sagen, dass man Hohl- oder Vollkugeln verwenden kann. Theoretisch ist auch ein zusammengedrucktes Stuck Alufolie verwendbar, die Unregelmäßigkeiten der Oberfläche gleichen sich im Mittel wieder aus, wenn die Folie dementsprechend zusammengedrückt wird (kugelförmig). Als Vorschlag dient hier, den Strahler (dünner Dipol 1 für 577 MHz) tatsächlich aus Metall zu fertigen (dicker Draht), und dann leitend überzogenem Styroporkugeln aufzuspießen. Die Kugeln 2 können an ihren Kontaktpunkten gelötet werden (Alufolie - Lotverfahren). Andere Konstruktionsverfahren, bspw. mit Silber leitend überzogene Kunststoffkugeln können natürlich auch versucht werden.
Für die in 2 dargestellte Antenne wird ein dünner Dipol 1 für 577 MHz genommen und drei Kugeln 2 mit verschiedenen Radien ausgesucht. Die Strahlerhälftlänge ist dann ca. 130 mm, die Radien der Kugeln 1 - 3 betragen 52 mm, 39 mm und 26 mm. Die Kugelradien sind also relativ klein gegenüber der Wellenlange. Diese Kugeln 2 werden auf den Dipol 1 gefädelt, und zwar in absteigender Reihenfolge (s. links). Sie werden befestigt und analysiert. Dabei ergibt sich eine Resonanz mit einem SWR von besser als 1:3 für 450 MHz bis 1,25 GHz, und eine Resonanz besser als 1:2 für 550 MHz bis 1,15 GHz. Es handelt sich also per Definition um eine breitbandige Antenne, da ihre Bandbreite größer ist als die tiefste Frequenz. 1hr Gewinn liegt bei O dBD (~ 2,1 dBi) bei 450 MHz und bei 2 dBD (~ 4,1 dBi) bei 1250 MHz. Dazwischen steigt der Gewinn kontinuierlich an. Der Fußpunktwiderstand liegt zwischen 50 Ohm und 150 Ohm. Allerdings ist die Antenne mit 120 Ohm speisbar, sie hat dann die oben genannten SWR - Werte. Die Angaben für diese konkrete Beispiel zeigen auch, dass die größte Kugel etwa einen Radius von r ~λ/10, die kleinste einen Radius von r - λ/20 hat. Man konnte die größte Kugel noch vergrößern, bis zu einem Radius von ca. r ~ λ/8 (s.o.). Dies muss allerdings noch genauer untersucht werden.
Die beiden Strahlerhälften bestehen nun aus mehreren, im konkreten Beispiel 3 Kugeln 2, die hintereinandergeschaltet werden, sieh mechanisch idealerweise in einem Punkt berühren, und so etwa aussehen, wie eine überdimensionale Perlenkette (Kugeln 2 auf einer geraden Linie aufgeschnürt). Die Kugeln 2 können dabei aus beliebigen Material hergestellt sein. Ein Beispiel sind mit einer leitenden Oberfläche überzogene Styroporkugeln. Die Kugeln 2 können massiv oder hohl sein. Die Antenne ist also eine Aneinanderreihung von leitenden Kugeln 2, die einen mechanisch dickeren Dipol 1 mit kugelförmigen Einzügen darstellen.
Der Fußpunktwiderstand der Antenne ist ca. Z=120 Ohm reell. Sie kann nicht mit üblichen 50 Ohm- oder 75 Ohm-Netzwerken gespeist werden, sondern benötigt eine Transformation von ca. 1:1,7 für 75 Ohm-Technik. Der Gewinn der Antenne steigt mit der Frequenz von ca. 0 dBD ( ~ 2,1dBi) bei der tiefsten Resonanzfrequenz bis auf ca. 2 dBD (~ 4,1dBi) auf der höchsten. Da das typische Anwendungsgebiet DVBT ist, entspricht das einem SWR von ca. 1:3 bei 450 MHz mit 0 (~ 2,1dBi) dBD Gewinn und 1:3 bei 1250 MHz mit ca. 2 (~4,1 dBi) dBD Gewinn. Dazwischen ist das SWR kleiner als 1:3 und typisch kleiner als 1:2. Die Antenne ist auch als Monopolversion realisierbar. Dabei wird eine Strahlerhälfte durch (ideale) Erde ersetzt.
Zusammenfassend ist die Antenne also eine 3-dimensionale Konstruktion, die aus Kugeln 2 besteht, die sich berühren. Sie zeichnet sich durch hohe Bandbreite, guten Gewinn und Rundstrahlcharakteristik (vertikal polarisiert) aus. Ihr Gewinn und die Bandbreite beruhen nicht nur auf dem Prinzip des dicken Strahlers, sondern auch auf besonderen Resonanzbedingungen, die aufgrund der Kugeloberflächen erreicht werden.

Claims

Breitbandige Empfangsantenne mit einem stabförmigen Dipol (1), dadurch gekennzeichnet, dass auf den Dipol (1) in einer Reihe (3) hintereinander mehrere, elektrisch leitende und in ihren Radien verschiedene Kugeln (2) angeordnet sind, die elektrisch miteinander verbunden sind.
Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (2) punktuell aneinander liegen.
Empfangsantenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass als Strahlerhälften des stabförmigen Dipols (1) zwei Reihen (3) in spiegelsymmetrischer Anordnung vorgesehen sind.
Empfangsantenne nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Kugeln (2) einer Reihe (3) hinsichtlich ihrer unterschiedlichen Radien willkürlich angeordnet sind.
Empfangsantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandten Kugeln (2) beider Reihen (3) den größten Radius und die folgenden Kugeln (2) kontinuierlich abnehmend jeweils einen kleineren Radius aufweisen.
Empfangsantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die einander zugewandt liegenden Kugeln (2) beider Reihen (3) einen kleineren Radius aufweisen als die mit zunehmendem Abstand dazu angeordneten Kugeln (2), die kontinuierlich zunehmend jeweils einen größeren Radius aufweisen.
Empfangsantenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Radien der Kugeln (2) um einen vorbestimmten Faktor k zum Strahlerende hin abnehmen.