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Die Erfindung betrifft eine Breitband-Antenne mit
einem Monopo1 und einem Dipol.
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Unterschiedliche Bauformen von Breitbandantennen
sind zum Beispiel aus Dubost, Zisler, "Breitbandantennen", 1. Auflage
1977, ISBN 3-486-20531-5, Kap. 3.2, Seiten 124– 132, bekannt. Beschrieben
sind beispielsweise bikonische Dipole oder bikonische Monopole,
auch als Breitband-Reusenantenne
bekannt. Für
die bekannten Dipole und Monopole ist jedoch der nutzbare Frequenzbereich für breitbandige
Mobilanwendungen noch viel zu schmal und die Abmessungen der Antennen
sind zu groß.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
breitbandige Antenne zu schaffen, welche bei kompakten Abmessungen
einen breitbandigen Frequenzbereich aufweist.
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Die Aufgabe wird durch die erfindungsgemäße Antenne
mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst.
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Die erfindungsgemäße Antenne besteht aus einem
Monopol und einem Dipol, wobei der Dipol so mit dem Monopol verbunden
ist, daß der
Dipol als Dachkapazität
für den
Monopol wirkt. Damit läßt sich der
Monopol gegenüber
einem Monopol ohne eine belastende Endkapazität (Dachkapazität) in seiner Baulänge reduzieren.
Gleichzeitig kann der Dipol auf eine gegenüber dem Monopol höhere Frequenz
abgestimmt werden, so daß sich
ein insgesamt breiter nutzbarer Frequenzbereich ergibt.
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Die in den Unteransprüchen aufgeführten Maßnahmen
betreffen vorteilhafte Weiterbildungen der erfindungsgemäßen Antenne.
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In Abhängigkeit von der jeweils zu
sendenden bzw. zu empfangenen Frequenz ist zwischen zwei Betriebszuständen der
Antenne zu unterscheiden. In einem ersten Betriebszustand, für niedrigere Frequenzen,
ist der Monopol aktiv, wobei der Dipol als Dachkapazität des Monopols
wirkt. In einem zweiten Betriebszustand, für höhere Frequenzen, ist der Dipol
aktiv. Gleichzeitig ist der Monopol für diesen Betriebszustand als
Außenleiter
einer Koaxialleitung ausgebildet über den der Dipol gespeist
wird. Der Innenleiter der Koaxialleitung führt zum Speisepunkt des Dipols.
Der als Außenleiter
des Koaxialleiters ausgebildete Monopol ist dabei mechanisch so
stabil ausgeführt,
daß er
gleichzeitig die Funktion eines Tragrohrs für den Dipol übernimmt.
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Weiterhin ist es vorteilhaft, daß durch
eine stufenweise radiale Verjüngung
des Innenleiters eine Anpassung der Impedanz des Speisepunkts des
Dipols an die Impedanz des gemeinsamen Anschlußpunkts erfolgt. Ferner ist
es vorteilhaft, die Antennenelemente des Dipols in Richtung auf
ihre voneinander abgewandten Enden in ihrer radialen Ausdehnung
zu vergrößern. Durch
die Vergrößerung der
radialen Ausdehnung und der sich daraus ergebenden Ausbildung eines
sogenannten "dicken" Dipols wird eine Verbesserung der Breitbandigkeit
erreicht.
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Ausführungsbeispiele der Erfindung
sind in der Zeichnung vereinfacht dargestellt und werden in der
nachfolgenden Beschreibung näher
erläutert.
Es zeigen:
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1 eine
schematische Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne;
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2a, 2b eine schematische Darstellung der erfindungemäßen Antenne
und ihrer Wirkung in ihrem ersten bzw. zweiten Betriebszustand;
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3 eine
schematische Darstellung einer gleichwirkenden Ersatzanordnung;
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4 ein
Verlauf des VSWR über
das gesamte Nutz-Frequenzband;
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5a-d Vertikaldiagramme
der erfindungsgemäßen Antenne
bei verschiedenen Frequenzen;
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6 Verlauf
der rechnerischen Wirkungsgrade des Monopols und des Dipols;
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7 eine
Darstellung einer erfindungsgemäßen Antenne;
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8 ein
Schnitt durch ein Beispiel einer konstruktiven Umsetzung einer erfindungsgemäßen Antenne;
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9 ein
Schnitt durch ein zweites Beispiel einer konstruktiven Umsetzung
einer erfindungsgemäßen Antenne;
und
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10 eine
Seitenansicht der erfindungsgemäßen Antenne
aus 9.
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In 1 ist
das Grundkonzept einer erfindungsgemäßen Antenne 1 schematisch
dargestellt. Die Antenne 1 besteht aus einem Monopol 2 und
einem Dipol 3. Der Dipol 3 besteht aus einem ersten Antennenkörper 3a sowie
einem zweiten Antennenkörper 3b,
wobei der erste Antennenkörper 3a mit dem
Monopol 2 mechanisch fest sowie elektrisch leitend verbunden
ist. Der Monopol 2 und der Dipol 3 sind in ihrer
geometrischen Ausprägung
so aufeinander abgestimmt, daß sich
die beiden Bandbreiten des Monopols 2 sowie des Dipols 3 zu
einer Gesamtbandbreite der Antenne 1 als Summe der einzelnen Bandbreiten
ergänzen.
Die Selektion erfolgt durch eine steilflankige Frequenzweiche. Bei
niedrigeren Frequenzen ist der Monopol 2 aktiv, bei höheren Frequenzen
dagegen der Dipol 3. Der Monopol 2 wird über einen
ersten Speisepunkt 4, der Dipol 3 über einen
zweiten Speisepunkt 5 gespeist.
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Der rohrförmig ausgebildete Monopol 2 ist mit
Massepunkten 6a und 6c verbunden, wobei in der Verbindung
des Monopols 2 mit den Massepunkten 6a, 6c Kapazitäten 9a und 9c angeordnet
sind. Eine Sendequelle 7 ist zwischen einem weiteren Massepunkt 6b und
dem ersten Speisepunkt 4 angeordnet. Der Monopol 2 ist
mit dem ersten Speisepunkt 4 über zumindest eine Induktivität 10a und
lOb verbunden. Die in der 1 dargestellten
Einzelinduktivitäten bzw.
Einzelkapazitäten
sind lediglich stellvertretend und schematisch für die tatsächlich verwendeten Bauteile
der Frequenzweiche angegeben. Im Inneren des rohrförmig ausgebildeten
Monopols 2 ist ein Innenleiter 8 angeordnet, welcher
den ersten Speisepunkt 4 mit dem zweiten Speisepunkt 5 verbindet.
In dem Innenleiter 8 ist eine weitere Kapazität 9b vorgesehen.
Die Anordnung von Induktivitäten 10a und l0b sowie
Kapazitäten 9a, 9b und 9c stellen
stark vereinfacht, für
das Verständnis
der Erfindung jedoch ausreichend, die zu verwendende Frequenzweiche
dar, deren Wirkungsweise nachfolgend beschrieben ist.
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In 2a ist
die Funktion der erfindungsgemäßen Antenne 1 für niedrige
Frequenzen dargestellt. Die bei niedrigen Frequenzen durch die Kapazitäten 9a bis 9c gesperrten
Verbindungen sind in der 2a der Übersichtlichkeit
halber nicht dargestellt. Daraus ergibt sich unmittelbar die Funktion
der Antenne 1 mit einem strahlenden Monopol 2.
Zwischen dem Massepunkt 6b und dem ersten Speisepunkt 4 wird
eine Sendequelle 7 eingespeist. Für niedrige Frequenzen sind
die Induktivitäten 10a und 10b leitend
und daher als direkte Verbindung in der 2a schematisch
dargestellt.
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Der Monopol 2 bildet mit
dem ersten Antennenkörper 3a des
Dipols 3 einen Monopol, welcher an einem Ende eine sogenannte
Dachkapazität
aufweist, also eine am von dem ersten Speisepunkt 4 des
Monopols 2 abgewandten Ende angeordnete belastende Kapazität. Die Dachkapazität wird vor
allem durch den ersten Antennekörper 3a,
der leitend mit dem Monopol 2 verbunden ist, aber auch
durch den zweiten Antennenkörper 3b des
Dipols 3 gebildet.
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In 2b ist
die Funktionsweise der erfindungsgemäßen Antenne 1 für den Fall
hoher Frequenzen dargestellt. Bei hohen Frequenzen werden die Kapazitäten 9a bis 9c leitend,
so daß der
Monopol 2 über
die in 1 dargestellten
Kapazitäten 9a und 9c mit
dem Massepotential an den Massepunkten 6a und 6c verbunden
ist. Die Kapazität 9b wird ebenfalls
leitend, so daß die
Sendequelle 7 an dem zweiten Speisepunkt 5 den
zweiten Antennenkörper 3b speist.
Die bei hohen Frequenzen leitenden Kapazitäten sind in der 2b ebenfalls als durchgehende Leitungen
dargestellt.
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Bei hohen Frequenzen ist daher der
Fußpunkt
des Monopols 2 mit dem Massepotential verbunden. Der zweite
Antennenkörper 3b wird über den
zweiten Speisepunkt 5 und über den Innenleiter 8 aus
der Sendequelle 7 gespeist. Die Antenne wirkt daher als
Dipolantenne. Der erste Antennenkörper 3a wirkt als
Sperrtopf und dient der Entkopplung des Dipols 3 vom Monopol 2.
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Die so ausgebildete Antenne 1 ist
als Ersatzschaltbild noch einmal in 3 dargestellt.
Aus einer Sendequelle werden die beiden Antennenelemente an einem
gemeinsamen Anschlußpunkt 11 betrieben.
Der Monopol 12 sowie der Dipol 13 sind über einen
Tiefpaß 16 bzw.
einen Hochpaß 17 mit
dem Anschlußpunkt 11 verbunden.
Zur Verringerung der Baulänge
ist an dem Monopol 12 eine Dachkapazität 12a angeordnet.
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Der Dipol 13 besteht aus
dem ersten Antennenkörper 13a und
dem zweiten Antennenkörper 13b.
Der zweite Antennenkörper 13b ist
mit dem Innenleiter 18 verbunden, welcher mit dem Außenleiter 14 eine
Koaxialleitung ausbildet, mit der der Dipol 13 mit einer
Frequenzweiche, die als Hochpaß 17 ausgebildet
ist, verbunden ist. Für
beide Antennenelemente ist ein gemeinsames Massepotential 19 vorgesehen.
Um den Monopol-Speisepunkt vom Massepotential 19 zu trennen,
ist eine Induktivität 15 vorgesehen.
Wie zu den 1, 2a und 2b bereits
ausgeführt
wurde, ist der Monopol 12 mitsamt der Dachkapazität 12a in
seinem Aufbau identisch mit der Einheit aus dem Außenleiter 14 zusammen
mit dem ersten Antennenkörper 13a des
Dipols 13.
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In 4 ist
das Spannungs-Stehwellen-Verhältnis
VSWR (Voltage Standing Wave Ratio) dargestellt, wobei der Verlauf
des VSWR als Kurve 20 über der
Frequenz f der gesamten Nutz-Bandbreite der erfindungsgemäßen Antenne 1 dargestellt
ist. Das Frequenzband der erfindungsgemäßen Antenne 1 erstreckt
sich im Ausführungsbeispiel
von etwa 30 MHz bis etwa 600 MHz, wobei durch die vorstehend bereits
beschriebene, lediglich schematisch angedeutete Frequenzweiche ein Übergang
zwischen dem Monopol 2 und dem Dipol 3 bei etwa
100 MHz erfolgt. Das VSWR des gesamten nutzbaren Frequenzbands ist überall kleiner
als etwa 2,7 und über
100 MHz deutlich kleiner als 2,0.
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In 5a und 5b sind Vertikaldiagramme für verschiedene
Frequenzen des Monopols dargestellt, während in 5c und 5d Vertikaldiagramme des Dipols dargestellt
sind. 5a zeigt ein Vertikaldiagramm
für eine
Frequenz von 40 MHz, 5b für 100 MHz, 5c für
300 MHz und 5d für 500 MHz.
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In 6 ist
der Wirkungsgrad n der erfindungsgemäßen Antenne 1 dargestellt.
Der Verlauf der Kurve 23 zeigt von 30 MHz bis etwa 110
MHz den Wirkungsgrad, der durch den Monopol 2 bestimmt
ist. Ab etwa 100 MHz bis über
570 MHz wird der Wirkungsgrad durch den Dipol 3 bestimmt,
dessen Verlauf in Kurve 24 dargestellt ist.
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In 7 ist
noch einmal eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Antenne
dargestellt. Auf Grund der unterschiedlichen geometrischen Ausprägungen der
einzelnen Bauteile sind in der 7 trotz
gleicher Bezeichnungen andere Bezugszeichen eingeführt. Der
Monopol 28 ist zugleich als Tragrohr für den Dipol 29 ausgebildet.
Der Dipol 29 besteht wiederum aus einem ersten Antennenkörper 29a sowie
einem zweiten Antennenkörper 29b. An
dem Antennenkörper 29a sind
zur Entkopplung von Dipol und Tragrohr elektrisch leitende Stäbe 30 angeordnet,
wobei die leitenden Stäbe 30 symmetrisch
um den Monopol 28 angeordnet sind und parallel zur Mittelachse
des Monopols 28 verlaufen. Die Antennenkörper 29a und 29b sind
rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei ihre Symmetrieachse mit der
Mittelachse des Monopols 28 identisch ist. Die unterschiedlichen
Einspeisungen, welche unter Bezugnahme auf 1 bzw. 2a und 2b bereits beschrieben wurden, sind in
der 7 schematisch durch
einen ersten Anschlußpunkt 25 für den Monopol 28 sowie
einen zweiten Anschlußpunkt 26 für den Dipol 29 dargestellt,
dessen Speisekabel zu einer Induktivität 27 gewickelt ist.
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In 8 ist
eine erste konstruktive Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Antenne 1 dargestellt.
Der gesamte Antennenaufbau ist auf einem Sockel 32 angeordnet,
welcher zur Befestigung der erfindungsgemäßen Antenne 1 beispielsweise
auf einem Fahrzeug dient. Die Antenne selbst besteht aus dem Monopol 34,
welcher als Außenleiter
einer Koaxialleitung ausgebildet ist, sowie dem ersten Antennenkörper 36a,
der mit dem Monopol 34 leitend verbunden ist. Der erste
Antennekörper 36a sowie
der zweite Antennenkörper 36b bilden
zusammen den Dipol 36, wobei die Antennenkörper 36a und 36b in Richtung
ihrer voneinander abgewandten Enden sich in ihrer radialen Ausdehnung
vergrößern. Die
Antennenkörper 36a und 36b sind
rotationssymmetrisch ausgebildet, wobei der zweite Antennenkörper 36b an
seinem von dem ersten Antennenkörper 36a abgewandten
Ende ein geschlossenes Ende 38 aufweist. Geschlossen bedeutet
dabei nicht notwendigerweise eine vollflächige Ausführung. Vielmehr können die
Antennenkörper 36a und 36b sowie
das geschlossene Ende 38 aus einer Mehrzahl von Einzeldrähten bestehen.
Diese Mehrzahl von Einzeldrähten des
ersten Antennenkörpers 36a sind
an seinem von dem geschlossenen Ende 38 abgewandten Ende
mit einem Ring 37a verbunden. Die in 7 bereits dargestellten leitenden Stäbe 30,
welche an dem ersten Antennenkörper 36a angebracht
sein können,
sind an ihrem von dem ersten Antennenkörper 36a abgewandten
Ende mittels eines zweiten Rings 37b verbunden. Diese den
ersten Antennenkörper 36a verlängernden
leitenden Stäbe 30 wirken
zusammen mit dem Tragrohr, also dem Monopol 34, als eine
am Ende kurzgeschlossene Leitung (Sperrtopf).
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Ein Teil des Monopols 34 ist
bei dem Ausführungsbeispiel
in 8 als Feder 33 ausgebildet.
Befindet sich die Feder 33 im Ruhezustand, so sind die einzelnen
Wicklungen jeweils im Kontakt mit den benachbarten Wicklungen, so
daß sich
die Feder 33 insgesamt wie ein leitendes Rohr verhält. Die
Feder 33 ist daher als Teil des Monopols 34 anzusehen. Ferner
ist ein Ferrit-Bauteil 60 vorhanden.
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Die Antenne 1 ist vollständig in
einem Kunststoffrohr 39 angeordnet, welches an dem von
dem Sockel 32 abgewandten Ende mit einer Abdeckkappe 40 verschlossen
ist. Das Kunststoffrohr 39 hat elektrisch keinen Einfluß und ist
lediglich zum Schutz der Antenne 1 vor mechanischer Beschädigung gedacht.
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In 9 ist
eine weitere konstruktive Ausgestaltung in einer etwas detaillierteren
Ansicht dargestellt. Insbesondere sind die leitenden Stäbe 30 deutlich
zu erkennen, welche an ihrem von dem Dipol 36 abgewandten
Ende mit dem Ring 37b verbunden sind. Im Inneren des Monopols 34 ist
der Innenleiter 42 dargestellt, der mit dem zweiten Antennenkörper 36b an
dem Speisepunkt 50 verbunden ist. Um eine Anpassung der
Impedanz zwischen dem Anschlußelement 41 und
dem Anschlußpunkt 50 zu
erreichen, ist der Innenleiter 42 im dargestellten Ausführungsbeispiel
zwischen seinem zu dem Speisepunkt 50 hin orientierten
Ende 42a und dem zu dem Anschluß 41 hin orientierten
Ende 42b in mehreren Stufen 60a, 60b radial verjüngt, wobei
das radial verjüngte
Ende zu dem Speisepunkt 50 hin orientiert ist. Zudem ist ein
erstes Verbindungselement 35 und ein zweites Verbindungselement 45 dargestellt.
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Das erste Verbindungselement 35 sowie
das zweite Verbindungselement 45 weisen jeweils einen Kragen 35b bzw. 45a auf,
welcher in die Feder 33 hineinragt. Zur Verbindung mit
dem Sockel 32 ist an dem zweiten Verbindungselement 45 eine
Bodenplatte ausgebildet. Das erste Verbindungselement 35 weist
dagegen einen Kragen 35a auf, der zur Aufnahme des Kunststoffrohres 39 dient.
Ein weiterer Kragen 35c ist an dem ersten Verbindungselement 35 angeordnet
und mit dem Monopol 34 verbunden. Der Monopol 34 ist
somit über
das erste Verbindungselement leitend mit der Feder 33 verbunden.
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Zum Schutz vor Verschmutzung ist
weiterhin ein Balg 44 vorgesehen, der die Feder 33 umgibt.
Der Balg 44 besteht aus einem elastischen Material und ist
dichtend mit dem ersten Verbindungselement 35 sowie an
dem entgegengesetzt orientierten Ende mit dem zweiten Verbindungselement 45 verbunden.
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In 10 ist
eine Außen-Seitenansicht
der erfindungsgemäßen Antenne
dargestellt. Die Abdeckkappe 40, das Kunststoffrohr 39,
das Verbindungselement 35 bilden zusammen mit dem Balg 44 und
dem Sockel 32 eine geschlossene Einheit, welche die erfindungsgemäße Antenne
vor Beschädigung
und Verschmutzung schützt.
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Durch die erfindungsgemäße Kombination eines
Monopols mit einem Dipol als Dachkapazität ergibt sich auch bei Realisierung
von kompakten Abmessungen eine äußerst breitbandige
Antenne, wobei durch Verwendung des Dipols als Dachkapazität die elektrische
Länge des
Monopols vergrößert wird, so
daß sich
eine insgesamt verkürzte
Baulänge
ergibt.
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Die vorstehende Beschreibung bezieht
sich jeweils auf die Verwendung als Sendeantenne. Eine Verwendung
als Empfangsantenne ist natürlich ebenso
möglich.