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Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische Wellen
Die Erfindung bezieht sich auf eine Antennenanordnung für kurze und sehr kurze elektromagnetische
Wellen, bestehend aus einem Dipolstrahler mit nennenswerter Dicke im Vergleich zur
Strahlerlänge.
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Für den Bereich der Kurzwellen sowie der Meterwellen und der noch
kürzeren Wellen werden häufig Dipole benötigt, die in einem relativ weiten Frequenzbereich
gute Anpassung und möglichst gleichbleibende Strahlungseigenschaften haben. Zur
Realisierung dieser Forderungen sind die verschiedensten Dipolformen bekannt. Neben
Konusstrahlem und Doppelkonusstrahlern werden für diesen Zweck vorwiegend Zylinderdipole
geringen Schlankheitsgrades verwendet. Die hierbei erzielbaren Ergebnisse sind indes
in der Praxis wenig zufriedenstellend. Weiterhin sind auch ellipsoidförinige Strahler
mit einem Achsenverhältnis von 1 :2 und größer für diesen Zweck schon benutzt
worden. Bei diesen bekannten Anordnungen geht der Innenleiter einer Koaxialleitung
kontinuierlich in das Ellipsoid über, und der Außenleiter bildet eine Wulst komplizierter
Raumforin. Eine Antenne dieser Art ist beispielsweise in der deutschen Patentschrift
894 575 beschrieben, der im wesentlichen die USA.-Patentschrift 2
310 853 entspricht. Störend an derartigen Antennen ist, daß sie trotz der
zum Teil relativ komplizierten Form nur in einem verhältnismäßig schmalen Frequenzband
von beispielsweise 1 : 1,5 hinreichend gut in der Anpassung an eine
Hochfrequenzleitung sind.
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Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, einen Weg zu weisen, auf
dem es möglich ist, einerseits über ein wesentlich breiteres Frequenzband, beispielsweise
über eine Oktave hinweg, eine gute Anpassung und möglichst gleichbleibende Strahlungseigenschaften
zu erzielen und andererseits derart komplizierte Raumfonnen, wie sie beispielsweise
in der deutschen Patentschrift 894 575 wiedergegeben sind, zu vermeiden.
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Diese Aufgabe wird gemäß der Erfindung in der Weise gelöst, daß die
einzelne Dipolhälfte die Form einer Kugel oder eines in der Strahlerachse sich erstreckenden
Ellipsoids, insbesondere mit einem Achsenverhältnis von etwa 1,5: 1 hat und
bei einem symmetrischen Dipol der Abstand der benachbarten Enden der Dipolhälften,
bei einem unsymmetrischen Dipol der Abstand zwischen einer Reflektorebene und der
benachbarten Dipolhälfte, derart klein im Vergleich zur Strahlererstreckung in Richtung
der Strahlerachse gewählt ist, daß die zwischen den zueinander am nächsten liegenden
Stellen auftretende Impedanz in der Größenordnung des Wellenwiderstandes üblicher
Koaxialleitungen, insbesondere zwischen 50 und 60 r, liegt.
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Durch die USA.-Patentschrift 2 235 506 ist ein Dipol bekannt,
bei dem die beiden Hälften eines symmetrischen Dipols eine einzige Kugel bilden.
Demgegenüber ist es für den Erfindungsgegenstand bei Ausbildung als symmetrischer
Dipol kennzeichnend, daß jede der Dipolhälften kugelförmige oder ellipsoidförmige
Gestalt haben. Gerade durch diese Gestalt werden die charakteristischen Vorteile
des Erfindungsgegenstandes erhalten.
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Zweckmäßig wird bei einem unsymmetrischen Dipol von den zueinander
am nächsten liegenden Stellen die am Kugelstrahler gelegene mit dem Innenleiter
einer Koaxialleitung verbunden, deren Außenleiter von der strahlerabgewandten Seite
an die Reflektorebene bzw. das Geg gengewicht herangeführt ist.
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Bei einer derartigen Antenne hat es sich außerdem als zweckmäßig erwiesen,
daß der Abstand zwischen der Reflektorebene und dem Halbdipol zwischen l/.o und
5/5o der Erstreckung des Halbdipols in Richtung seiner Achse liegt.
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Bei einem symmetrischen Dipol empfiehlt es sich, daß die zueinander
am nächsten liegenden Stellen mit einer symmetrischen Hochfrequenzleitung verbunden
sind, die vorzugsweise in Richtung der Symmetrieebene verläuft.
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Außerdem ist es zweckmäßig, bei einem symmetrischen Dipol die beiden
zueinander am nächsten liegenden Stellen mit einer Breitband-Symmetrievorrichtung
zu verbinden, deren wesentliche Erstreckung in der Symmetrieebene liegt und die
in eine erdunsymmetrische Hochfrequenzleitung übergeht.
Vor allem
bei einem unsymmetrischen, über eine Koaxialleitung gespeisten Dipol ist es in manchen
Fällen noch von Vorteil, wenn die Ausbildung derart getroffen wird, daß der Innenleiter
kontinuierlich in den Halbdipol übergeht und daß der Außenleiter, unter Bildung
einer sich aufweitenden Koaxialleitung gleichförmigen Wellenwiderstandes, in die
Reflektorebene übergeht.
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Nachstehend wird die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen,
die in der Zeichnung mit zum Teil wesentlichen Einzelheiten dargestellt sind, näher
erläutert.
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Die Fig. 1 zeigt eine Antenne nach Art eines Halbdipols, die
erfindungsgemäß ausgebildet ist. Der Halbdipol 1 hat die Form einer Kugel
aus Metall, die zweckmäßig im Innern hohl ausgebildet ist. Der Halbdipol ist über
einer - nachfolgend als Reflektorebene bzw. Gegengewicht bezeichneten
- Metallplatte 2 angeordnet. Die Verbindung der so gebildeten Richtantenne
mit einer unsymmetrischen, als Koaxialleitung ausgebildeten Hochfrequenzleitung
erfolgt in der Wesie, daß die Koaxialleitung an die Stelle herangeführt ist, an
der der kugelförmige Strahler 1 und sein Gegengewicht 2 zueinander am nächsten
sind, und daß dort der Innenleiter 3 der Koaxialleitung in den Halbdipol
1 übergeht, während der Außenleiter 4 in die sozusagen als Gegengewicht dienende
Metallplatte 3 übergeht.
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Die Halterung des Halbdipols 1 in bezug auf die Metallplatte
2 kann auf verschiedenartige Weise erfolgen. Bei geringem Gewicht des Halbdipols
1 kann der entsprechend stark auszubildende Innenleiter 3
der Koaxialleitung,
der mittels möglichst reflexionsarmer Stützscheiben in an sich bekannter Weise in
seiner Lage zum Außenleiter 4 gehalten wird, getragen werden. Bei größerem Gewicht
des Halbdipols 1 oder bei starker seitlicher Beanspruchung desselben empfiehlt
es sich, eine Abstützung mittels eines Dielektrikums, vor allem eines Dielektrikums
geringer relativer Dielektrizitätskonstante, vorzusehen. Diese Abstützung kann Ringform
haben und in dem Bereich zwischen der Reflektorfläche 2 und der ihr benachbarten
Halbkugelseite, die Speisungsstelle umschließend, eingelagert sein. Unter Umständen
ist es aber auch vorteilhaft, die gesamte Antenne, also zumindest den wirksamen
Teil der Reflektorfläche einschließlich der Kugel, in derartiges dielektrisches
Material einzubetten. Besonders zweckmäßig ist für diese Fälle ein sogenanntes geschäumtes
Dielektrikum, weil dies einerseits sicherstellt, daß Feuchtigkeit in den Raum zwischen
dem Halbdipol und der Reflektorfläche in störendem Maß nicht eindringen kann undweil
andererseits die Dielektrizitätskonstante des Materials durch die Schäumung sehr
gering gehalten werden kann, z. B. fast zu F, # 1.
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Die Wirkungsweise der in der Fig. 1 dargestellten Anordnung
kann man sich wie folgt erklären, und zwar unter Zugrundelegung der Verwendung der
Antenne als Sendeantenne, obgleich die Antenne in gleicher Weise auch eine Empfangsantenne
sein kann. An der Speisestelle 5 der Antenne kommt die Koaxialleitung
3, 4 mit einem bestimmten Wellenwiderstand an. Der an die SpeisesteHe anschließende
Raum zwischen der unteren Dipolhälfte und der ihr benachbarten Fläche des Gegengewichts
bzw. der Reflektorfläche 2 bildet eine Radialleitung mit bestimmtem Wellenwiderstandsverlauf
in Radialrichtung. Diese Radialleitung geht kontinuierlich in den Strahler über.
Die Ablösung der Strahlung erfolgt dabei zum Teil schon in den äußeren Randgebieten
der Radialleitung. Der Durchmesser D des Halbdipols liegt für die längste
Betriebswelle zumindest in der Größenordnung von einem Viertel der Wellenlänge im
freien Raum. Durch Wahl des Abstandes d zwischen den zueinander am nächsten
gelegenen Stellen des Halbdipols 1 und des Gegengewichts 2 läßt sich erreichen,
daß ein wenigstens nahezu reflexionsfreier Übergang von der Koaxialleitung
3, 4 auf die Radialleitung geg geben ist. Diese ihrerseits stellt einen kontinuierlichen
Übergang auf den Wellenwiderstand des freien Raumes her, in den die Abstrahlung
der über die Koaxialleitung 3, 4 zugeführten Hochfrequenzenergie erfolgt.
Wird eine derartige Bemessung der Antenne vorgenommen, so zeigt sich, daß die Antenne
oberhalb einer bestimmten Grenzfrequenz, aus der die längste Betriebswellenlänge
resultiert, ein gewisses Maß an Fehlanpassung hat, welches durch die vorerwähnten
Dimensionierungen bestimmt ist, und daß diese Fehlanpassung mit zunehmender Frequenz
sich immer mehr verringert, unter starker Verschleifung im Impedanzdiagramm der
Antenne. Der Strahler hat eine Länge von etwa 2/4 für die längste Betriebswelle.
(i/4=WeRenränge im freien Raum.) Die Strahlungseigenschaften bleiben dabei innerhalb
des erwähnten Frequenzbereiches praktisch nahezu gleich. Der Dipol strahlt etwa
wie ein normaler i/4-Strahler, der über einer leitenden Fläche angeordnet ist, seitlich
zur Antennenlängsachse ab, die in der Fig. 1 strichpunktiert mit eingetragen
ist. Mit einer so ausgebildeten Antennenanordnung war es beispielsweise möglich,
innerhalb eines Frequenzbereiches von etwa 500 bis 2500 MHz einen
Wert der Reflexion einzuhalten, der nur wenige Prozent betrug und im weitaus größten
Teil dieses Frequenzbereiches nennenswert geringer war. Der Wellenwiderstand der
Koaxialleitung 3, 4 betrug hierbei 60 P-, und der Abstand
d betrug etwa 1/5o der Abmessung D. Von Bedeutung hierbei ist, daß
mit zunehmendem Verhältnis dID die Ortskurve der Impedanz an der Stelle
5 auseinandergezogen wird und diese Impedanz einen höheren Wirkantell erhält,
während bei zunehmender Verkleinerung des Verhältnisses dID die Impedanzkurve mehr
und mehr zusammengezogen wird und der Wirkantell kleiner wird. Eine nennenswerte
weitere Verringerung des Verhältnisses dID unter den Wert 1/59 oder Ihoo
bringt indes keine weiteren Vorteile, sondern unter Umständen sogar eine Verschlechterung
des Gesamtverhaltens.
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In der Fig. 2 ist die Anordnung nach der Erfindung als normaler Dipolstrahler,
bestehend aus zwei Dipolhälften, wiedergegeben. Die an Hand der Fig. 1 gegebenen
Richtlinien für die Bemessung der Abmessungen D bzw. d gelten entsprechend
zu der Anordnung nach Fig. 1. Die Anordnung nach Fig. 2 hat den großen Vorteil,
daß die Speisung bzw. Verbindung mit einer Hochfrequenzleitung durch eine symmetrische
Leitung 6 erfolgen kann, die zweckmäßig in der strichpunkiert eingezeichneten
Symmetrieebene 7 in an sich bekannter Weise geführt wird.
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Die Fig. 3 zeigt ein Ausführungsbeispiel des Erfindungsgegenstandes,
bei dem der symmetrische Dipol über eine erdungssymmetrische Leitung gespeist wird.
In diesem Fall ist eine bekannte Symmetrieeinrichtung 8 nach Art einer Symmetrieschleife
vorgesehen, die zweckmäßig für die jeweilige Betriebsfrequenz einstellbar ausg .gebildet
ist, beispielsweise nüttels eines
verschiebbaren Kurzschlußringes
9. Für diese Anordnung gilt ansonsten das zur Fig. 2 Ausgeführte.
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Zu den beiden Ausführungsbeispielen nach den Fig. 2 und
3 ist noch darauf hinzuweisen, daß die Halterung der Halbdipole
1 bzw. l' in gleichartiger Weise erfolgen kann, wie es für den Halbdipol
1 und das Gegengewicht 2 an Hand der Fig. 1 erläutert wurde. Auch
für die mechanische Ausbildung des Halbdipols gelten die dort gemachten Ausführungen.
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Die Fig. 4 zeigt eine Weiterbildung des Erfindungsgegenstandes in
der Weise, daß der Kugelstrahler 1
nicht abrupt in die Koaxialleitung
3, 4 übergeht, sondern mit einem Übergangsstück 9 stetig in den Querschnitt
des Innenleiters 3 übergeführt ist. Das über-Crangsstück 9 schmiegt
sich oberflächenmäßig taugential an den Strahler 1 an. Der Außenleiter 4
der Koaxialleitung ist in seiner Querschnittsforin so aufgeweitet und in das Gegengewicht
ebenfalls tangential übergehend ausgebildet, daß ein Wellenwiderstandssprung in
dem Übergangsbereich zur Radialleitung vermieden ist. In einem derart gelagerten
Fall kann der Abstand zwischen der in der Fig. 4 mit einem Pfeil bezeichneten Fußpunktstelle
des Halbdipols 1
und der durch das Gegengewicht 2 festgelegten Ebene größer
gewählt werden als bei der Anordnung nach Fig. 1.
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In der Fig. 5 ist gezeigt, wie der Halbdipol bei ellipsoidförmiger
Ausbildung zu gestalten ist. Das Ellipsoid kann als entartete Kugel betrachtet werden
und bei den vorhergehenden Ausführungsbeispielen, so vor allem auch bei dem nach
der Fig. 4 an die Stelle der Kugel treten. Für die Bemessung der kleinen Achse a
zur größeren Achse b - b soll mit der in der Fig. 1 strichpunktierten
Dipolachse zusammen allen -
hat es sich als zweckmäßig erwiesen, folgende
Bedingungen einzuhalten 0,6 < alb < 1,7.
Als besonders
günstiges Verhältnis alb hat sich für einen Wellenwiderstandswert der Speiseleitung
zwischen 50 und 60 D bei einer Ausführung nach Fig. 4 der Wert
1,5 erwiesen.
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Die Antennenanordnung nach der Erfindung ist vielseitig mit Vorteil
anwendbar. Beispielsweise kann vor allem der symmetrische Dipol als Erregerstrahler
für eine Parabolspiegelantenne Verwendung finden. Als Einzelstrahler kann er vor
allem zur Abstrahlung von Meter- und Dezimeterwellen vor allem in den Fernsehbändern
Verwendung finden. Außerdem kann der Strahler in Gruppen zur Erzielung bestimmter
Strahlungscharakteristiken verwendet werden, ähnlich üblichen Dipolstrahlern. Der
Strahler kann auch als passiver oder als gespeister Strahler die Rolle eines Reflektors
oder eines Leitdipols übernehmen. Dabei kommt die Breitbandwirkung ebenfalls stark
zur Geltung.
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Der Strahler muß nicht zwingend rotationssymmetrischen Querschnitt
haben - Querschnitt senkrecht zur Achse b in Fig. 5 - sondern
kann vor allem im Achsenverhältnis dieser Querschnittsfläche elliptisch sein, z.
B. im Verhältnis von etwa 0,6 bis 1,7. In diesem Fall ist es zweckmäßig,
die Radialleitung bzw. den übergang der jeweiligen Form dieses Querschnitts anzupassen.
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Hinsichtlich der Anpassung des Strahlers an eine Hochfrequenzleitung
existieren vor allem zwei vorteilhafte Möglichkeiten. Einerseits kann von einem
bestimmten Wellenwiderstandswert der Leitung ausgegangen und der Durchmesser
D bzw. der Abstand d
sowie das Verhältnis alb so gewählt werden, daß
Anpassung herrscht. Andererseits kann bei vorgegebener Strahlerform und/oder Abmessung
d die Anpassung durch einen zwischengeschalteten Breitbandtransformator,
z. B. eine Exponentialleitung, sichergestellt werden.