DE10239874B3

DE10239874B3 - Antennensystem für mehrere Frequenzbereiche

Info

Publication number: DE10239874B3
Application number: DE10239874A
Authority: DE
Inventors: Wolf Rathai
Original assignee: Aeromaritime Systembau GmbH
Current assignee: Aeromaritime Systembau GmbH
Priority date: 2002-08-29
Filing date: 2002-08-29
Publication date: 2004-04-29
Anticipated expiration: 2022-08-30
Also published as: EP1401051A1; EP1401051B1; SI1401051T1; DE50305406D1; DK1401051T3; ATE343230T1

Abstract

Die Erfindung betrifft eine Stackantenne zum Senden und Empfangen in mindestens zwei verschiedenen Frequenzbereichen, die sich durch besondere Kompaktheit und mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr guten Abstrahlcharakteristiken der einzelnen Frequenzbereiche auszeichnet, wobei wenigstens ein Strahler gemeinsam für zwei verschiedene Frequenzbereiche verwendbar ist, bei dem gemeinsamen Strahler durch mehrere konzentrisch zueinander liegende elektrische Leiter, insbesondere Rohrstücke, die unterschiedlich paarweise an jeweils einem stirnseitigen Ende kurzgeschlossen sind, Kurzschlußleitungen gebildet sind.

Description

I. Anwendungsgebiet
Die Erfindung betrifft ein Antennensystem für mindestens zwei Frequenzbereiche, insbesondere für die Verwendung bei U-Booten.
II. Technischer Hintergrund
Bei der Verwendung von λ/2-Dipolantennen werden die Ausmaße der Antenne durch die dem jeweiligen Frequenzbereich zugehörigen Wellenlängen bestimmt. Bei der Verwendung von zwei Strahlern, also einer Gesamtlänge von λ/2, wird daher beispielsweise im Ultrakurzwellenbereich bei einer Frequenz von 100 MHz ein 1,5 m langer Antennenkörper benötigt, um eine resonante Abstrahlung zu erreichen. Durch geeignete Massnahmen ist es zwar möglich, diese Längen zu verkürzen, jedoch meist nur in einem geringen Umfang.
Da darüber hinaus selbst bei der Verwendung von Breitbandantennen der jeweils zur Verfügung stehende Frequenzbereich der Antenne limitiert ist, wird üblicherweise für verschiedene Frequenzbereiche eine der Anzahl der Frequenzbereiche entsprechende Anzahl von Antennen benutzt.
Dies kann jedoch in Fällen, bei denen zwar verschiedene Frequenzbereiche benötigt werden, gleichzeitig jedoch die Abmessungen des Antennensystems durch den zur Verfügung stehenden Raum begrenzt sind, zu Problemen führen.

Ein Beispiel hierfür bildet ein Antennensystem eines U-Bootes. Hier werden zur Kommunikation bzw. Positionsortung oder Ähnlichem Antennen in verschiedenen Frequenzbereichen benötigt, beispielsweise in:

VHF_LO _W	30 – 88 MHz
VHF	100 – 164 MHz
UHF	220 – 400 MHz
IFF (identification friend foe)	1030 / 1090 MHZ
GPS	1575,41 / 1227,6 MHz
Inmarsat RX	1530 – 1545 MHz
Inmarsat TX	1626,5 – 1646,5 MHz

Neben dem bereits erwähnten nur beschränkt zur Verfügung stehenden Raumangebot, besteht für ein von U-Booten benutztes Antennensystem eine weitere Anforderung darin, daß der gesamte Aufbau der Antenne aufgrund der Positionierung an der Außenhaut des U-Bootrumpfes und der damit verbundenen Belastungen durch das umströmende Wasser möglichst kompakt sein muß. Gleichzeitig ist auch eine möglichst große Stabilität des Antennensystems gegenüber mechanischen Belastungen zu gewährleisten, da durch Schockwellen im Wasser kurzzeitige Horizontalbelastungen bis zu 400 G sowie Vertikalbelastungen bis in den Bereich von 150 G auftreten können.
Verschiedene Lösungsansätze zu diesem Problem benutzen üblicherweise das Prinzip einer sogenannten „Stackantenna", bei der die verschiedenen Strahler der jeweiligen Antennen auf ein längliches Bauteil, den Antennenträger, aufgebracht werden. Aufgrund der Abmessungen der Strahler der verwendeten Einzelantennen weist ein derartiges Antennensystem gewöhnlicherweise eine entsprechende Länge auf, was sich hinsichtlich der mechanischen Stabilität und dem Verhalten gegenüber Wasserdruck und Wasserumströmung negativ auswirkt.
In der Druckschrift JP 08265041 A Patent Abstracts of Japan wird ein Antennensystem beschrieben, bei dem ein Strahler für unterschiedliche Antennen verwendet wird. Zur Entkopplung der Frequenzbereiche wird ein Metallring verwendet, während die Impedanzen einer der Antennen über eine Kapazitäts-Diode geregelt wird.
In der Druckschrift JP 06037542 A Patent Abstracts of Japan wird ein Antennensystem für Mobiltelefone beschrieben, das zum Betrieb in einem weiten Frequenzband zwei vertikal angeordnete Koaxial-Dipol-Antennen umfasst. Hierbei ist jedoch kein Betrieb auf mehreren Frequenzbändern vorgesehen, vielmehr dient je eine Antenne zum Senden bzw. zum Empfang.
In der Deutschen Offenlegungsschrift DE 26 29 502 wird eine Mehrfachrundstrahlantenne beschrieben, bei der für jeden Frequenzbereich ein eigener Strahler verwendet wird.
III. Darstellung der Erfindung
a) Technische Aufgabe
Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es demnach, eine Stackantenna zum Senden und Empfangen in mindestens zwei verschiedenen Frequenzbereichen zu verwirklichen, die sich durch besondere Kompaktheit und mechanische Belastbarkeit bei gleichzeitig sehr guten Abstrahlcharakteristiken der einzelnen Frequenzbereiche auszeichnet.
b) Lösung der Aufgabe
Diese Aufgabe wird durch die kennzeichnenden Merkmale der unabhängigen Ansprüche 1 und 17 gelöst. Vorteilhafte Ausführungsformen ergeben sich aus den Unteransprüchen.
Eine Verkürzung des Antennensystems wird demnach erfindungsgemäß erreicht, indem mindestens ein Strahler des Systems für mehr als einen Frequenzbereich benutzt wird.
Ein kompakter Aufbau und eine mechanische Stabilität ergeben sich daraus, dass die elektrische Trennung bzw. gegenseitige Isolierung der beiden Dipolstrahler der Antenne eines Frequenzbereichs durch eine Kurzschlussstrecke für den jeweiligen Frequenzbereich gewährleistet wird, so dass die beiden Strahler mechanisch direkt und am selben Antennenträger befestigt werden können.
Gemäß eines weiteren Aspekts der Erfindung wird eine Antenne mit einem Zusatzantennensystem auf dem freien, stirnseitigen Ende einer Basis-Stackantenne vorgeschlagen, wobei das Zusatzantennensystem elektrisch isoliert an einem der Strahlkörper der Basisantenne, insbesondere stirnseitig an einem Strahlkörper der Basisantenne, angeordnet ist und die elektrischen Leitungen für das Zusatzantennensystem für die Frequenzbereiche der Basisantenne dämpfend wirkende Bauteile aufweisen.
Das zentrale Element des gesamten Systems ist demnach der Antennenträger, der wiederum mit Hilfe eines isolierenden Aufbaus beispielsweise aus Kunststoff fest am Rumpf des Bootes befestigt werden kann. Auf diese Weise werden üblicherweise in Antennensystemen verwendete, seitlich vom Mast abgehende und von diesem elektrisch isolierte Ausleger, die sich durch eine deutlich geringere mechanische Stabilität und Steifheit auszeichnen, nicht benötigt.
Erfindungsgemäß wird als Antennenträger ein metallisches Element länglicher Bauform verwendet. Dabei ist es möglich, dieses Element mit einer durchgehenden axialen Bohrung zu versehen, um die Durchführung von Kabeln zum Einspeisen der einzelnen Antennen des Systems zu ermöglichen. Gegenüber dem Rumpf des U-Boots wird der Antennenträger elektrisch isoliert, indem er mit seinem zum Rumpf des U-Boots gewendetes Ende in ein auf einer am Rumpf zu befestigenden Grundplatte angebrachtes Halteteil aus einem isolierenden Material, beispielsweise Keramik, Kunststoff, Plastik oder ähnlichem, eingebracht und fixiert wird.
Werden im folgenden die Adjektive distal bzw. proximal oder die Vorsilben Distal- bzw. Proximal- verwendet, so ist dies durchgängig auf die Position bezüglich des U-Boot-Rumpfes zu verstehen.
Die einzelnen Strahlkörper der zu verwendenden Dipolantennen sind auf diesen gemeinsamen Träger aufgebracht und mit diesem mechanisch stabil verbunden. Im nachfolgenden wird aus Gründen der Übersichtlichkeit die Funktionsweise der Benutzung eines gemeinsamen Strahlers anhand von zwei auf dem gemeinsamen Träger aufgebrachten Dipolantennen für zwei Frequenzbereiche erläutert. Es ist jedoch klar, dass das grundlegende Prinzip auch bei einer Verwendung von mehreren Dipolantennen mit entsprechenden Frequenzbereichen auf demselben Antennenträger anwendbar ist.
Das System zur Verwendung von zwei Frequenzbereichen besteht erfindungsgemäß aus drei mechanisch auf dem Antennenträger aufgebrachten und vorzugsweise rotationssymmetrisch aufgebauten Strahlern. Der für beide Frequenzbereiche benutzte Strahler ist hierbei axial zwischen den beiden anderen angeordnet und wird von mehreren konzentrisch zueinander liegenden Rohrstücken gebildet. Einige dieser Rohrstücke sind paarweise an einem stirnseitigen Ende elektrisch leitend miteinander verbunden, wobei die den leitend verbundenen Stirnseiten gegenüberliegenden Stirnseiten der Rohrstücke offen, das heißt nicht elektrisch leitend, miteinander verbunden, sind.
Genauer gesagt ist beispielsweise das innerste der den gemeinsamen Strahler bildenden Rohrstücke an seinem, bezüglich des U-Bootrumpfes, distalen Endes elektrisch leitend mit dem Antennenträger verbunden. Das Proximalende des innersten Rohrstückes des gemeinsamen Strahlers ist einerseits aus Stabilitätsgründen mechanisch, jedoch, beispielsweise durch einen Abstandhalter oder Haltering aus Keramik, Kunststoff oder aus einem sonstigen isolierenden Material, nicht elektrisch leitend mit dem Antennenträger und andererseits mit dem Proximalende des von innen gesehen zweiten Rohrstück des gemeinsamen Strahlers elektrisch leitend verbunden.
Das Distalende des von innen gesehen zweiten Rohrstücks ist hingegen wiederum aus Stabilitätsgründen mechanisch, jedoch, beispielsweise durch einen Abstandhalter oder Haltering aus Keramik, Kunststoff oder aus einem sonstigen isolierenden Material, nicht elektrisch leitend mit dem Antennenträger oder dem innersten Rohrstück des gemeinsamen Strahlers verbunden.
Weiterhin ist der zweite Strahler des ersten Frequenzbereiches mit dem Proximalende des Antennenträgers sowohl mechanisch stabil als auch elektrisch leitend verbunden auf diesem angeordnet. Der zweite Strahler des zweiten Frequenzbereiches hingegen ist mechanisch stabil und elektrisch leitend auf dem Distalende des Antennenträgers oder auf dem Distalende des an diesem Ende mit dem Antennenträger elektrisch leitend verbundenen innersten Rohrstücks angeordnet.
Demnach wird die Dipolantenne für den ersten Frequenzbereich durch den gemeinsamen, zentral angeordneten Strahler und dem am Proximalende angebrachten Strahler gebildet während die Dipolantennen für den zweiten Frequenzbereich durch den gemeinsamen, zentral angeordneten Strahler und den am Distalende angebrachten Strahler gebildet wird.
Die Einspeisung der beiden Antennen erfolgt vorzugsweise jeweils über ein Koaxialkabel.
Der erste Einspeispunkt für den ersten Frequenzbereich liegt hierbei an dem mit dem zweiten Rohrstück verbundenen Proximalende des ersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers, während der zweite Einspeispunkt für den ersten Frequenzbereich auf dem zugehörigen, am Proximalende des Antennenträgers angebrachten, zweiten Strahler liegt. Auf diese Weise entsteht zwischen den beiden Einspeispunkten eine parallel zur Dipolantenne geschaltete erste Kurzschlussleitung, da die beiden Einspeispunkte über die Außenfläche des Antennenträgers und die Innenfläche des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Weiterhin liegt der erste Einspeispunkt für den zweiten Frequenzbereich an dem Distalende des zweiten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers, während der zweite Einspeispunkt für den zweiten Frequenzbereich auf dem zugehörigen, am Distalende des Antennenträgers bzw. des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers angebrachten, zweiten Strahlers liegt. Auf diese Weise entsteht analog zwischen den beiden Einspeispunkten eine parallel zur Dipolantenne geschaltete zweite Kurzschlussleitung, da die beiden Einspeispunkte über die Außenfläche des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers und die Innenfläche des zweiten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers elektrisch leitend miteinander verbunden sind.
Die erste Kurzschlussleitung entspricht demnach einem kurzgeschlossenen Koaxialkabel, dessen Innenleiter durch die Außenfläche des Antennenträgers und dessen Außenleiter durch die Innenfläche des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers gebildet wird.
Die zweite Kurzschlussleitung entspricht demnach einem kurzgeschlossenen Koaxialkabel, dessen Innenleiter durch die Außenseite des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers und dessen Außenleiter durch die Innenfläche des zweiten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers gebildet wird.
Durch eine entsprechend gewählte jeweilige Länge der Kurzschlussleitungen kann nun erreicht werden, dass die hochohmige Resonanz der entsprechenden Kurzschlussleitung jeweils in der Bandmitte des betreffenden Frequenzbereiches liegt. Auf diese Weise werden jeweils die beiden Strahler der beiden Frequenzbereiche zum Betrieb der Antennen als Dipolantennen notwendig, voneinander elektrisch entkoppelt.
Da die beiden Kurzschlussleitungen in unterschiedlichen Frequenzbereichen „sperren" sollen, kann es erforderlich sein, dass sie eine unterschiedliche Länge aufweisen. Dies kann erreicht werden, indem das innerste Rohrstück und das zweite Rohrstück des gemeinsamen Strahlers eine unterschiedliche Länge aufweisen.
Um die Impedanz der jeweils parallel geschalteten Antenne nicht zu verschlechtern, muss der Wellenwiderstand der jeweiligen Kurzschlussleitungen so gewählt werden, dass die Impedanz der Leitung an den Frequenzgrenzen hoch genug gegen 50 Ohm ist. Da der Wellenwiderstand der Kurzschlussleitungen jeweils durch den lichten Durchmesser des Außenleiters bestimmt wird, wird dieser entsprechend gewählt, um eine möglichst hohe Impedanz, für den Frequenzbereich der λ/4-Resonanz, zu erhalten.
Dementsprechend sind der Innendurchmesser des innersten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers als lichter Durchmesser des Außenleiters der ersten Kurzschlussleitung und der Innendurchmesser des zweiten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers als lichter Durchmesser des Außenleiters der ersten Kurzschlussleitung jeweils an den durch die entsprechende Antenne abzudeckenden Frequenzbereich angepasst.
Um das Abstrahlverhalten des gemeinsamen Strahlers zu optimieren, kann der Außendurchmesser des zweiten Rohrstücks des gemeinsamen Strahlers entsprechend angepasst werden. Hierbei ist nicht erforderlich, dass das zweite Rohrstück massiv ist. Vielmehr kann es sich bei dem zweiten Rohrstück um zwei an ihren beiden Stirnenden elektrisch leitend miteinander verbundene Rohrstücke handeln, wodurch sowohl hinsichtlich Gewicht als auch Materialverbrauch eine günstigere, jedoch für die Antenne elektrisch äquivalente Lösung in Form eines Ringhohlkörpers, gebildet wird.
Gleichzeitig ist durch den für das Antennensystem zur Verfügung stehenden Platz eine obere Grenze für den Außendurchmesser des gemeinsamen Strahlers gegeben.
Der Außendurchmesser des zentralen Antennenträgers wird vorzugsweise so gewählt, dass auch bei der Verwendung eines Rohres zur Durchführung der zum Betrieb der Antennen benötigten Kabel und dem in diesem Fall durch die Dicke der Kabel festgelegten Innendurchmesser des Rohres eine größtmögliche mechanische Stabilität des Antennenträgers gewährleistet wird.
Eine Entkopplung der Einspeiseleitungen wird durch einen auf dem isolierenden Halteteil des Antennenträgers angebrachten Ring aus Ferrit erreicht, durch den sämtliche Einspeiseleitungen geführt sind.
Üblicherweise U-Boot-seitig auf den Einspeiseleitungen angebrachte Filter im Außenbandbereich können dazu führen, dass unerwünschte Impedanzen auf die Leitungen transferiert werden. Dies würde wiederum zu einer negativen Beeinflussung der Bedingungen, für eine bestmöglichste Abstrahlung, an den Einspeisepunkten führen. Um diesen Effekt möglichst gering zu halten, wird die Länge der Einspeiseleitungen so gewählt, dass auf Grund von Resonanzeffekten im jeweils benutzten Frequenzbereich die gegenseitige Beeinflussung der Einspeisepunkte minimiert wird.
Entsprechend eines weiteren erfindungsgemäßen Merkmals können weitere Antennen an dem am distalen Ende des Antennenträgers angebrachten Strahler befestigt werden. Zur elektrischen Entkopplung von dem Strahler werden diese Monopol- und/oder Wendel-Antennen auf einer Platte befestigt, die mit Hilfe von isolierenden Abstandhaltern mit dem Öffnungsrand des Strahlers verbunden ist. mögliche Materialien sind hierbei Kunststoffe, Keramiken oder Ähnliches.
Die Einspeiseleitungen dieser zusätzlichen Antennen werden vorzugsweise durch den vorzugsweise hohlen Antennenträger geführt, aus welchem sie am distalen Ende austreten.
Um eine gegenseitige negative Beeinflussung der zusätzlich aufgebrachten Antennen und der mindestens zwei auf dem Antennenträgers befestigten Antennen möglichst gering zu halten, werden erfindungsgemäß zwischen dem Austritt aus dem Antennenträger und dem Anschluß an den auf der isolierenden Platte befestigten weiteren Antennen Dämpfungsmittel, vorzugsweise in Form von Ferritperlen auf die Einspeiseleitungen aufgebracht. Da diese Ferrite ausschließlich der Dämpfung dienen sollen werden an den Frequenzbereich des Ferrits keine Anforderungen gestellt, so dass hohe Permeabilitäten verwendet werden können.
Zum Schutz der Antenne gegen Wasser und den üblicherweise herrschenden Wasserdruck ist die gesamte Konstruktion erfindungsgemäß mit einer Haube z.B. aus Kunststoff umgeben. Diese Kunststoffhaube besitzt eine im wesentlichen zylindrische Form, die an ihrem distalen Ende mit einer halbkugelförmigen Abdeckung versehen ist und an ihrem proximalen Ende mit der am Rumpf zu befestigenden Platte dicht verbunden wird. Der Aussendujrchmesser dieser Kunststoffhaube wird durch den beim Einbau zur Verfügung stehenden Platz vorgegeben.
c) Ausführungsbeispiele
Eine Ausführungsform gemäß der Erfindung ist im folgenden anhand der Figuren beispielhaft näher beschrieben. Es zeigen:
1: eine Seitenansicht einer erfidungsgemäßen Antenne, mit im Schnitt gezeigter Kunststoffhaube
2 einen Schnitt durch den zum ersten Frequenzbereich (VHF) gehörenden Strahler
3 einen Schnitt durch den gemeinsamen Strahler
4 einen Schnitt durch den zum zweiten Frequenzbereich (UHF) gehörenden Strahler mit daran befestigten zusätzlichen Antennen In 1 wird schematisch eine Ausführungsform eines erfindungsgemäßes Antennensystem für die Verwendung als U-Boot-Antennensystem gezeigt. Diese Ausführungsform besteht im wesentlichen aus drei auf einen elektrisch leitenden Antennenträger 1 aufgebrachten, rotationssymmetrischen, vorzugsweise metallischen Dipol-Strahlern 3a,3b,3b zum Betrieb in zwei unterschiedlichen Frequenzbereichen. Vorzugsweise sind weitere, auf den am distalen Ende des Trägers 1 befindlichen Dipol-Strahler 3c aufgesetzte Monopol- und Wendel-Antennen 23 zum Betrieb in weiteren Frequenzbereichen vorgesehen.
Bei den beiden durch die drei Dipol-Strahler 3a,3b,3c abgedeckten Frequenzbereichen handelt es sich im vorliegenden Ausführungsbeispiel um das VHF-Band mit 116–164 MHz und das UHF Band (UHF) mit 220–400 MHz. Hierbei ist der sich am Proximalende des Antennenträgers 1 befindliche Strahler 3a dem Frequenzbereich VHF und der sich am Distalende des Antennenträgers 1 befindliche Strahler 3c den Frequenzbereich UHF zugeordnet. Der zwischen diesen beiden Strahlern 3a, 3c liegende Strahler 3b wird von beiden Frequenzbereichen genutzt. Ein direkter Kontakt zwischen den einzelnen Strahlern 3a und 3b bzw. 3b und 3c wird mittels elektrisch isolierenden Elementen 7 bzw. 11 verhindert. Als Material für diese Elemente, die gleichzeitig für eine mechanische Stabilität des Antennenaufbaus sorgen, wird vorzugsweise Keramik oder Kunststoff verwendet.
Die vorzugsweise weiteren aufgesetzten Antennen 23 können beispielsweise dem Betrieb im Frequenzbereich für IFF, bei dem eine Empfangsfrequenz von 1030 MHz und eine Sendefrequenz von 1090 MHz benutzt wird, im Global-Positioning-System-Frequenzbereich, mit Empfangsfrequenzen von 1575,42 MHz und 1227,6 MHz, sowie im Frequenzbereich für die beiden Satellitendienste Inmarsat RX und Inmarsat TX (1530–1545 MHz bzw. 1626,5-1646,5 MHz) dienen.
Der Antennenträger 1 ist mit seinem zum Rumpf des U-Boots gewendeten Ende in ein auf einer am Rumpf des U-Boots zu befestigenden Aufbauplatte 22 angebrachtes Halteteil 33 aus Kunststoff eingebracht und fixiert.
Die zusätzlichen Antennen 23 sind auf einer Platte 24 angebracht, die mittels elektrisch isolierender Abstandhalter 25 aus Keramik an der Öffnung des im Wesentlichen kelchförmigen Strahlers 3c befestigt ist.
2 zeigt einen Schnitt durch das Proximalende des Antennensystems. Die am Rumpf des U-Boots zu befestigende Aufbauplatte 22 weist mehrere elektrische Anschlüsse 32 auf, mittels derer die verschiedenen Antennenkomponenten an das hier nicht gezeigte Kontrollsystem angeschlossen werden können. Die Anschlüsse 32 sind antennenseitig mit verschiedenen Einspeiseleitungen 26,27,28, vorzugsweise in Form von Koaxialkabeln, verbunden. In dem hier beschriebenen Ausführungsbeispiele sind eine UHF-Einspeiseleitung 26, eine VHF-Einspeiseleitung 27 sowie mehrere Einspeiseleitungen 28 für die weiteren Zusatzantennen 23 vorgesehen.
Um eine Anpassung der elektrischen Länge der Einspeiseleitungen 26,27 zur Minimierung der gegenseitige Beeinflussung in den Frequenzbereichen UHF und VHF zu ermöglichen, kann beispielsweise die UHF-Einspeiseleitung 26 über eine Schlaufe 29 geführt werden, während die VHF-Einspeiseleitung 27 um das isolierende Halteteil 33 gewickelt wird.
Wie aus 2 ersichtlich, hat der Antennenträger 1 im vorliegenden Fall die Form eines Rohres mit einem Innenraum 2, einem Innendurchmesser DM1 und einem Außendurchmesser DM2. Die UHF-Einspeiseleitung 26 sowie die Einspeiseleitungen 28 für die weiteren Zusatzantennen 23 werden durch entsprechende Bohrungen in das Halteteil 33 und von dort in den Innenraum 2 des Antennenträgers 1 geführt. Die VHF-Einspeiseleitung 27 verläuft außen parallel zum Antennenträger 1.
Sämtliche Einspeiseleitungen 26,27,28 sind weiterhin zur Dämpfung und Entkopplung durch einen auf das Halteteil 33 aufgebrachten Ring aus Ferrit 21 geführt.
Der am Proximalende des Antennenträgers 1 angebrachte Strahler 3a hat im Bereich seines Proximalendes im wesentlichen die Form eines auf der proximalen Seite offenen Hohlzylinders 3a'. Dieser Hohlzylinder 3a' geht auf seiner distalen Seite in einen sich zum distalen Ende hin verjüngenden hohlen Kegelstumpf 3a'' über, der wiederum an seinem Distalende von einer Deckplatte 3a''' abgeschlossen wird. Diese Deckplatte 3a''' weist eine Bohrung auf, durch die der Antennenträger 1 spielfrei geführt und an der der Antennenträger 1 elektrisch leitend mit dem Strahler 3a verbunden ist.
Der Innenleiter des Koaxialkabels der VHF-Einspeiseleitung 27 ist elektrisch leitend mit dem gemeinsamen Strahler 3b am ersten VHF-Einspeisepunkt 12 verbunden. Die Lage dieses ersten VHF-Einspeisepunkts 12 auf dem gemeinsamen Strahler 3b wird weiter unten unter Bezugnahme auf die 3 beschrieben.
Der Außenleiter des Koaxialkabels der VHF-Einspeiseleitung 27 ist in einem innerhalb des kegelförmigen Strahlers 3a liegenden Bereich elektrisch leitend mit der Außenseite des Antennenträgers 1 verbunden und bildet somit den zweiten VHF-Einspeisepunkt 13 für die im VHF-Bereich zu betreibende Antennenkomponente.
Der Aufbau des gemeinsamen Strahlers 3b ist in 3 gezeigt.
Demzufolge ist der an seinem Distalende mit einem Deckel 34 verschlossene Antennenträger 1 nahe dieses Distalendes elektrisch leitend mit dem Distalende 5 eines ersten Rohres 4 verbunden. Das erste Rohr 4 weist hierbei einen Innendurchmesser D1 sowie einen Außendurchmesser D2 auf. Das proximate Ende 6 des ersten Rohres 4 ist durch ein isolierendes Element 7 mechanisch unterstützend, jedoch nicht elektrisch leitend mit dem Antennenträger 1 verbunden. Auf diese Weise sind der erste VHF-Einspeisepunkt 12 und der zweite VHF-Einspeisepunkt 13 über die Innenfläche 15 des ersten Rohres 4 und die Außenfläche 14 des Antennenträgers 1 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die genaue Position der beiden Einspeisepunkte 12,13 und dadurch die elektrische Länge zwischen den beiden Punkten 12,13, also die Länge der VHF-Kurzschlussleitung, wird hierbei so gewählt, dass die hochohmige Resonanz der Kurzschlussleitung in der Bandmitte des benutzten VHF-Frequenzbereiches, also bei ca. 132 MHz liegt, wodurch eine elektrische Entkopplung der beiden Strahler 3a,3b erreicht wird.
Der Wellenwiderstand der VHF-Kurzschlussleitung wird hierbei durch das Verhältnis des Innendurchmessers D1 des ersten Rohres 4 zum Außendurchmesser DM2 des Antennenträgers 1 bestimmt. Dieses Verhältnis D1/DM2 wird so gewählt, dass die Impedanz der Leitung an den Frequenzgrenzen hoch gegen 50 Ohm ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Impedanz der im VHF-Bereich betriebenen Antennenkomponente durch die Impedanz der parallel geschalteten VHF-Kurzschlussleitung negativ beeinflusst wird.
Radial außerhalb des ersten Rohres 4 ist ein zweites Rohr 8 in Form eines Zylinderhohlkörpers angeordnet. Dieser Zylinderhohlkörper 8 wird durch ein entsprechendes Innenrohr 8' und ein entsprechendes Aussenrohr 8'', die an ihren Stirnseiten durch jeweils eine vorzugsweise metallische Scheibe 20 elektrisch leitend miteinander verbunden sind, gebildet und weist einen Innendurchmesser D3 sowie einen Außendurchmesser D4 auf.
Der Zylinderhohlkörper 8 ist an seinem Proximalende 9 elektrisch leitend mit dem Proximalende 6 des ersten Rohres 4 verbunden. Das Distalende 10 des Zylinderhohlkörpers 8 ist durch ein isolierendes Element 11 mechanisch unterstützend, jedoch nicht elektrisch leitend mit dem ersten Rohr 4 verbunden, Die im Innenraum 2 des Antennenträgers 1 geführte UHF-Einspeiseleitung 26 und Einspeiseleitungen 28 der Zusatzantennen 23 treten durch eine Bohrung im Deckel 34 des Antennenträgers 1 aus. Die UHF-Einspeiseleitung 26 wird an der Außenseite des ersten Rohres 4 in das isolierende Element 11 zurückgeführt.
Der Innenleiter des Koaxialkabels der UHF-Einspeiseleitung 26 ist elektrisch leitend mit dem gemeinsamen Strahler 3b am ersten UHF-Einspeisepunkt 16 verbunden.
Der Außenleiter des Koaxialkabels der UHF-Einspeiseleitung 26 ist in einem innerhalb des Strahlers 3c liegenden Bereich elektrisch leitend mit der Außenseite des Antennenträgers 1 verbunden und bildet somit den zweiten UHF-Einspeisepunkt 17 für die im UHF-Bereich zu betreibende Antennenkomponente.
Demnach sind der erste UHF-Einspeisepunkt 16 und der zweite UHF-Einspeisepunkt 17 über die Innenfläche 19 des Zylinderhohlkörpers 8 und die Außenfläche 18 des ersten Rohres 4 miteinander elektrisch leitend verbunden. Die genaue Position der beiden Einspeisepunkte 16,17 und dadurch die elektrische Länge zwischen den beiden Punkten 16,17, also die Länge der UHF-Kurzschlussleitung, wird hierbei so gewählt, dass die hochohmige Resonanz der Kurzschlussleitung in der Bandmitte des benutzten UHF-Frequenzbereiches, also bei ca. 310 MHz liegt, wodurch eine elektrische Entkopplung der beiden Strahler 3b,3c erreicht wird.
Der Wellenwiderstand der UHF-Kurzschlussleitung wird hierbei durch das Verhältnis des Innendurchmessers D3 des Zylinderhohlkörpers 8 zum Außendurchmesser D2 des ersten Rohres 4 bestimmt. Dieses Verhältnis D3/D2 wird so gewählt, dass die Impedanz der Leitung an den Frequenzgrenzen hoch gegen 50 Ohm ist. Auf diese Weise wird verhindert, dass die Impedanz der im UHF-Bereich betriebenen Antennenkomponente durch die Impedanz der parallel geschalteten UHF-Kurzschlussleitung negativ beeinflusst wird.
Der Außendurchmesser D4 des Zylinderhohlkörpers 8 ist hierbei so bemessen, dass Impedanzfehlanpassungen zwischen der Antenne und den Kurzschlussleitungen weitestgehend kompensiert werden.
Wie aus 4 ersichtlich ist, weist der Strahler 3c im wesentlichen die Form eines hohlen Kegelstumpfs auf, der sich in Proximalrichtung verjüngt. Der Strahler 3c ist mit dem ersten Rohr 4 nahe dessen distalen Endes elektrisch leitend verbunden. Ein isolierenden Element 11 schafft eine mechanische, jedoch elektrisch nicht leitende, Verbindung zwischen dem Strahler 3c und dem Zylinderhohlkörper 8.
Weiterhin weist der Strahler 3c an seinem distalen Ende einen Bereich 35 größerer Wandstärke auf in dem Befestigungsmittel 36 zur Befestigung einer Platte 24 vorgesehen sind. Auf der Platte 24 sind weitere Antennen 23 montiert.
Damit die elektrische Länge der aus den Strahlern 3a,3b,3c bestehenden Basisantennen im UHF- und VHF-Frequenzbereich durch die weiteren Antennen 23 nicht verändert wird, ist die Platte 24 hierbei mit Hilfe von Abstandshaltern 25 aus Keramik von dem Strahler 3c elektrisch isoliert und die Einspeiseleitungen 28 werden mit Hilfe von Ferritperlen 30 für die Frequenzbänder der Basisantennen elektrisch aufgetrennt.

1: Antennenträger
2: Innenraum
: Antennenträger
3a: 1. Strahler
3a': Hohlzylinder
3a'': hohler Kegelstumpf
3a''': Deckplatte
3b: gemeinsamer Strahler
3c: 3. Strahler
4: 1. Rohr
5: Distalende 1.Rohr
6: Proximalende 1.Rohr
7: Abstandshalter
8: 2.Rohr als
: Zylinderhohlkörper
8': Innenrohr
: Zylinderhohlkörper
8": Aussenrohr
: Zylinderhohlkörper
9: Proximalende
: Zylinderhohlkörper
10: Distalende
: Zylinderhohlkörper
11: Abstandshalter
12: 1. VHF-Einspeisepunkt
13: 2. VHF-Einspeisepunkt
14: Aussenfläche
: Antennenträger
15: Innenfläche 1.Rohr
16: 1. UHF-Einspeisepunkt
17: 2. UHF-Einspeisepunkt
18: Aussenfläche 1. Rohr
19: Innenfläche
: Zylinderhohlkörper
20: Stirnseiten
: Zylinderhohlkörper
21: Ferritring
22: Aufbauplatte
23: Zusatzantennen
24: Platte
25: Abstandshalter
26: Einspeiseleitung
27: Einspeiseleitung
28: Einspeiseleitungen
: Zusatzantennen
29: Schlaufe UHF
30: Ferritperlen
31: Kunststoffhaube
32: Elektrische Anschlüsse
33: Halteteil
34: Deckel
35: Bereich größerer
: Wandstärke
36: Befestigungsmittel
D1: Innendurchmesser
: 1.Rohr
D2: Aussendurchmesser
: 1.Rohr
D3: Innendurchmesser
: Zylinderhohlkörper
D4: Aussendurchmesser
: Aussendurchmesser
: Zylinderhohlkörper
DM1: Innendurchmesser
: Antennenträger
DM2: Aussendurchmesser
: Antennenträger

Claims

Antenne zum Betrieb, insbesondere zum Senden und Empfangen, in mindestens zwei verschiedenen Frquenzbereichen mit mehreren Strahlern (3a,3b,...) sowie wenigstens einem Antennenträger (1), wobei wenigstens drei Strahler (3a,3b,3c,...) an einem gemeinsamen Antennenträger (1) befestigt sind, dadurch gekennzeichnet, dass von den an dem gemeinsamen Antennenträger (1) befestigten Strahlern (3a,3b,...) wenigstens ein gemeinsam genutzter Strahler (3b) Einspeispunkte (12,16) für wenigstens zwei unterschiedliche Frequenzbereiche aufweist und mit wenigstens zwei anderen der Strahler (3a,3c,...) auf dem gemeinsamen Antennenträger (1) jeweils in einem unterschiedlichen Frequenzbereich als Dipol-Strahler betreibbar ist, wobei bei dem gemeinsam genutzten Strahler (3b) zur Entkopplung der jeweils als Dipol zusammen arbeitenden Strahler (3a,3b,...) durch mehrere konzentrisch zueinander liegende elektrische Leiter (1,4,8), insbesondere Rohrstücke, die unterschiedlich paarweise an jeweils einem stirnseitigen Ende kurzgeschlossen sind, wenigstens zwei Kurzschlussleitungen gebildet sind, deren Längen so gewählt sind, dass sie jeweils für einen der wenigstens zwei unterschiedlichen Frequenzbereiche hochohmig sind.
Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die den kurzgeschlossenen Stirnseiten gegenüberliegende Stirnseiten zwischen den jeweiligen Rohrstücken (1,4,8) voneinander elektrisch isoliert sind.
Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass die Strahler (3a,3b,3c) auf dem gemeinsamen Antennenträger (1) in Längsrichtung hintereinander angeordnet sind.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die Antenne genau drei an einem gemeinsamen Antennenträger (1) befestigte Strahler (3a, 3b,...) aufweist, von denen genau ein gemeinsam genutzter Strahler (3b) Einspeispunkte (12,16) für zwei verschiedene Frequenzbereiche aufweist.
Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass es sich bei den beiden Frequenzbereichen des gemeinsam genutzten Strahlers (3b) um ein VHF-Band im Bereich 80–200 MHz, insbesondere 116–164 MHz und um ein UHF-Band im Bereich 180–440 MHz, insbesondere 220–400 MHz handelt.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsame Antennenträger (1) rohrförmig ist.
Antenne nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Einspeiseleitungen (26,27,28) des Antennensystems auf wenigstens einem Teilabschnitt innerhalb des gemeinsamen, rohrförmigen Antennenträger (1) verläuft.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass je ein Einspeisepunkt (12,16) eines jeden Frequenzbereichs auf einer der Stirnseiten des gemeinsam genutzten Strahlers (3b) liegen.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das innerste Rohrstück des gemeinsam genutzte Strahlers (3b) durch den rohrförmigen Antennenträger (1) gebildet wird und zwischen dem Antennenträger (1) und dem ersten Rohrstück (4) eine erste Kurzschlussleitung, die für einen ersten Frequenzbereich hoch ohmig ist, und zwischen dem ersten Rohrstück (4) und dem zweiten Rohrstück (8) eine zweite Kurzschlussleitung, die für einen zweiten Frequenzbereich hochohmig ist, ausgebildet sind.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das zweite Rohrstück (8) die Form eines aus zwei Rohrstücken (8',8'') gebildeten, an den Stirnseiten (20) geschlossenen Zylinderhohlkörpers hat.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Antennenträger (1) und die Strahler (3a,3b,3c) aus einem elektrisch leitenden Material, bevorzugt aus einem Metall bestehen, die Strahler (3a,3b,3c) in elektrisch leitendem Kontakt mit dem Antennenträger (1) stehen, jedoch nicht direkt elektrisch leitend, sondern durch elektrisch isolierende Bauteile (7,11), bevorzugt Abstandshalter, miteinander verbunden sind.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der Außendurchmesser (D4) des zweiten Rohrstücks (8) im Bereich von 130–145 mm, bevorzugt im Bereich von 135–140 mm und besonders bevorzugt im Bereich von 136,5–137,5 mm liegt.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (DM2/D1) des Innendurchmessers (D1) des ersten Rohrstücks (4) zu dem Außendurchmessers (DM2) des Antennenträgers (1) im Bereich 2,0-2,5, bevorzugt im Bereich 2,1-2,3 und besonders bevorzugt im Bereich 2,15-2,25 liegt.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass das Verhältnis (D3/D2) des Innendurchmessers (D3) des zweiten Rohrstücks (8) zu dem Außendurchmessers (D2) des ersten Rohrstücks (4) im Bereich 1,3-1,8, bevorzugt im Bereich 1,45-1,65 und besonders bevorzugt im Bereich 1,5-1,6 liegt.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass die elektrische Längenanpassung einer der Einspeiseleitungen (26,27,28) durch eine in der Nähe der Aufbauplatte (22) des Antennensystems gelegene Schlaufe (29) erfolgt.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass wenigstens eine der Einspeiseleitungen (26,27,28) zur Entkopplung durch ein Dämpfungselement (21), vorzugsweise einen Ring aus Ferrit, geführt ist.
Antenne mit einem Zusatzantennensystem (23) auf dem freien, stirnseitigen Ende einer Basis-Stackantenne, insbesondere gemäß einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass – das Zusatzantennensystem (23) elektrisch isoliert an einem der Strahlkörper der Basisantenne, insbesondere stirnseitig am Strahlkörper (3c) der Basisantenne, angeordnet ist und – die elektrischen Leitungen (28) für das Zusatzantennensystem (23) für die Frequenzbereiche der Basisantenne dämpfend wirkende Bauteile (30) aufweisen.
Antenne nach Anspruch 17, dadurch gekennzeichnet, dass die dämpfenden Bauteile (30) auf den Leitungen (28) angeordnete Ferrite sind, die insbesondere die Leitung jeweils vollständig umgeben.
Antenne nach Anspruch 17 oder 18, dadurch gekennzeichnet, dass das Zusatzantennensystem (23) zum Betrieb auf wenigstens einem der folgenden Frequenzbereiche ausgelegt ist: – Frequenzbereich für IFF, mit Empfangsfrequenz 1030 MHz, Sendefrequenz von 1090 MHz – Global-Positioning-System-Frequenzbereich, mit Empfangsfrequenzen 1575,42 MHz und 1227,6 MHz – Frequenzbereich für den Satellitendienst Inmarsat RX, 1530–1545 MHz – Frequenzbereich für den Satellitendienst Inmarsat TX 1626,5-1646,5 MHz
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass bei der Basisantenne die Anzahl der Strahler (3a,3b,...) um wenigstens 1 höher ist als die Anzahl der Frequenzbereiche.
Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, dass der gemeinsam genutzte Strahler (3b) eine rotations-symmetrische Grundform besitzt.