DE1541482C - Antenne mit DipoJcharakter, in deren Antennenleiter an einer Unterbrechungsstelle ein aktives Element eingeschaltet ist - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer Antenne mit Dipolcharakter mit einem Antennenleiter, in den an einer Unterbrechungsstelle ein aktives Element eingeschaltet ist und der gegen eine leitende Fläche erregt ist.
Antennen solcher Art, die zur Gruppe der aktiven Antennen gehören, besitzen Eigenschaften, die mit passiven Antennen nicht erreicht werden können, z. B. eine Richtwirkung, die durch Ändern der Gleichspannung des Elements geändert werden kann, und/ oder eine Resonanzfrequenz, die durch Ändern der Gleichspannung des Elements geändert werden kann, und/oder Verstärkung der von außen zugeführten Leistung.

Es ist bekannt, daß solche Antennen dadurch hergestellt werden können, daß an der Unterbrechungsstelle des Antennenleiters ein aktiver Zweipol, z. B. eine Tunneldiode, eingeschaltet ist. Antennen mit Tunneldioden sind beschrieben in:

H. M e i η k e, Tunnel diodes integrated with micro-

wave antenna systems, The Radio an Electronic Engineers, Bd. 31 (1966), S. 76 bis 80.

J. Copeland and W. Robertson, Antennas have built in circuits. Electronic Industries, Mai 1963, S. 119.

K. F u j i m ο t ο, Active dipole antennas with Esaki diodes, The Journal of the Institute of Electrical Communications Engineers of Japan. Bd. 48, April 1965, S. 255 bis 265, insbesondere F i g. 2d.

K. J i ζ u k a, The circular loop antenna multiloaded with positive and negative resistors, IEEE-Transactions on Antennas and Propagation. Januar 1965, S. 7 bis 20.

Der entscheidende Nachteil aller aktiven Antennen mit Tunneldioden ist die ausgeprägte Neigung zur Selbsterregung gerade in denjenigen Betriebszuständen, bei denen die vorhin erwähnten Vorteile der aktiven Antenne auftreten, d. h., bei denen der negative Widerstand besonders ausgeprägt ist. Dies liegt daran, daß dieser negative Widerstand in einem extrem großen Frequenzbereich (von sehr niedrigen Frequenzen von wenigen Hz bis zu Mikrowellen-Frequenzen) gleichzeitig existiert und es fast unmöglich ist, das Antennensystem gleichzeitig für alle diese Frequenzen selbsterregungsfrei zu machen, wenn man die Diode für die genannten Zwecke optimal einstellt. Daher sind Antennen mit Tunneldioden im praktischen Einsatz sehr selten geblieben.

Unserer Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Gefahr der Selbsterregung in solchem Ausmaß zu vermindern, daß sie mit einfachen Maßnahmen verhindert werden kann und die Antenne gleichzeitig die mit einer Tunneldiode erzielbaren Wirkungen wesentlich übertrifft.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß das aktive Element ein gesteuerter Dipol ist, an dessen dritten Pol ein zusätzlicher, in Richtung auf die leitende Fläche weisender Antennenleiter angeschaltet ist, der über einen passiven Zweipol mit der leitenden Fläche verbunden ist. Eine solche Antenne ist schema tisch in F i g. 1 gezeichnet.

Die mit der Erfindung verbundenen Vorteile bestehen insbesondere darin, daß bei einem dreipoligen gesteuerten Element zwei getrennte Kreise existieren, nämlich Eingangskreis und Ausgangskreis, die durch das zwischen ihnen liegende dreipolige, gesteuerte Element weitgehend voneinander entkoppelt sind. Solche Anordnungen haben geringe Neigung zur Selbsterregung und, wenn überhaupt, nur in sehr kleinen Frequenzbereichen auf Grund einer durch die Schaltung gegebenen, stets frequenzabhängigen Rückkopplung. Die Selbsterregung solcher Schaltungen läßt sich daher mit einfachen und bekannten Mitteln verhindern. Ein weiterer Vorteil bei der Verwendung dreipoliger, gesteuerter Elemente ist, daß, bei Wahl geeigneter Gleichspannungen eine verstärkende Wirkung auftritt, wodurch die bereits genannten Wirkungen des aktiven Elements in der Antenne gegenüber der Verwendung aktiver Zweipole verstärkt auftreten.

Da das dreipolige Element an einer Unterbrechungsstelle des Antennenleiters eingeschaltet ist, bieten die beiden Enden der Unterbrechungsstelle Anschlußmöglichkeiten für zwei Pole des dreipoligen Elements. Durch die Verwendung des dreipoligen Elements wird daher ein dritter, zusätzlicher Antennenleiter erforderlich, der an den dritten Pol angeschlossen werden muß, um das Element funktionsfähig zu machen. Dieser dritte Leiter kann so gestaltet und verlegt werden, daß er das Verhalten der Gesamtantenne wesentlich mitbestimmt. Bei der Erfindung liegt dieser dritte Leiter außerhalb der beiden anderen Leiter. Die durch ihn fließenden Ströme bilden ein magnetisches Feld, das Bestandteil des äußeren Antennenfeldes wird und so einen Einfluß auf das Gesamtfeld der Antenne hat. Andererseits kann das äußere Wellenfeld der Antenne durch Induktion auf diesen zusätzlichen Leiter einwirken. Der Vorteil eines solchen wellenbildenden und wellenempfangenden Zusatzleiters liegt in der Möglichkeit, durch passende Wahl der Form und der Lage dieses Leiters zusätzliche Wirkung auf Richtwirkung und Impedanz auszuüben. Als Beispiel wird in der folgenden Beschreibung die Verkleinerung der Resonanzfrequenz eines kurzen Stabes näher beschrieben.

Der genannte dritte Antennenleiter ist über einen passiven Zweipol (II in F i g. 1) mit der leitenden Fläche verbunden. Die zwischen dem dritten Pol des gesteuerten Elements und der leitenden Fläche wirksame Gesamtimpedanz ist dann die Summe der Impedanz des zusätzlichen Antennenleiters b und der Impedanz des Zweipols II. So kann man durch Wahl des Zweipols die Gesamtimpedanz zweckmäßig beeinflussen, insbesondere auch ihre Frequenzabhängigkeit. Ein solcher passiver Zweipol kann besonders vorteilhaft bei Miniaturantennen sein, bei denen alle Antennenleiter sehr kurz sind und dann oft eine viel zu kleine Impedanz haben. Bei sehr kurzen Antennenleitern gibt dann der Zweipol II überhaupt erst die Möglichkeit, dem Antennenleiter b eine gewünschte Impedanz zu geben.

Ähnliche Antennenformen mit Zusatzleitern, jedoch ohne aktives Element, findet man bei Harrison und King, Folded dipoles and loops, IRE-Transactions on Antennas and Propagation, März 1961, S. 182 bis 187, insbesondere Fig. 5. Diese passiven Antennen zeigen jedoch keine Unterbrechungsstellen, in die man dreipolige, gesteuerte Elemente entsprechend der Erfindung einschalten könnte, und daher auch keine der Eigenschaften, die mit Hilfe der gesteuerten Elemente erzeugt werden können.

In der Erfindung verwendet man gesteuerte Dreipole. Im einfachsten Fall besteht dieser Dreipol aus einem einzigen gesteuerten, elektronischen Element· (z. B. Hochvakuumröhre oder Transistor). Ein solches Element hat drei Anschlüsse: Eine Quelle des Stromes (Kathode bei Hochvakuumröhren, Emitter bei Transistoren, Source bei Feldeffekttransistoren), im folgenden mit 1 bezeichnet; eine Steuerelektrode (Steuergitter bei Hochvakuumröhren, Basis bei Transistoren, Gate bei Feldeffekttransistoren), im folgenden mit 2 bezeichnet; eine Ausgangselektrode (Anode bei Hochvakuumröhren, Kollektor bei Transistoren, Drain bei Feldeffekttransistoren), im folgenden mit 3 bezeichnet. Das steuerbare Element ist in den Figuren mit E bezeichnet. Der Grundgedanke der Erfindung bleibt erhalten, wenn man mehrere in Serie, parallel oder als Kette geschaltete, gesteuerte Einzelelemente so kombiniert, daß diese Kombination als Ganzes wieder als eine gesteuerte Schaltung mit Dreipolcharakter erscheint. Ein Beispiel ist die Antenne von Fig. 11, bei der zwei Transistoren so kombiniert sind, daß ihre Kombination wieder Dreipolcharakter hat. Dies entspricht der Idee nach einem mehrstufigen Verstärker, der in bekannter Weise auch passive Bauelemente enthalten kann.

Die Anschlüsse 1, 2 und 3 des gesteuerten Elements

können mit den Teilen a, b und c der Antenne in beliebiger Kombination verbunden werden, z. B.

1 mit a, 2 mit b, 3 mit c;
1 mit b, 2 mit c, 3 mit a;
1 mit c, 2 mit a, 3 mit b.

Die weitere Ausgestaltung der Erfindung ist in den Unteransprüchen dieser Anmeldung enthalten. Zur näheren Erläuterung dienen die Zeichnungen, die die folgenden Besonderheiten zeigen:

Fig. 2: Der Leiterteil c ist ein gestreckter Leiter;

Fig. 3: Der Leiter c ist eine Dachkapazität;

Fig. 4: Der Leiterc ist in Richtung zur leitenden Fläche gebogen. Zwischen dem Leiter c und der leitenden Fläche liegt der passive Zweipol III;

Fig. 5: Sendeantenne, bei der die Steuerelektrode des Dreipols an dem zum Sender S führenden Leiter a liegt;

Fig. 6: Sendeantenne, bei der die Quellelektrode des Dreipols an dem zum Sender S führenden Leiter a liegt;

Fig. 7: Empfangsantenne, bei der die Ausgangselektrode, des Dreipols an dem zum Empfänger führenden Leiter α liegt;

Fig. 8: Vergleich einer passiven und einer aktiven Antenne gleicher Höhe und gleicher Dachkapazität;

Fig. 9: Die beiden Stromkreise der Antenne von Fig. 7; .

Fig. 10: Messung der Antennen-Eingangsimpedanz Z;

Fig. 11: Empfangsantenne mit Dreipol, der aus zwei in Kaskade geschalteten Transistoren besteht;

Fig. 12: Dreipol, der aus drei in Kaskade geschalteten Transistoren besteht;

.Fig. 13: Empfangsantenne mit koaxialer Ausgangsleitung im Innern des Leiters α;

Fig. 14: Zuführung einer Gleichspannung über einen Hilfsstab /; ■ .

Fig. 15: Zuführung einer Gleichspannung durch das Innere des Antennenleiters b;

Fig. 16: Schema einer Antenne mit Oberteil B und Unterteil A und Verbindungsleitern;

Fig. 17: Antenne nach Fig. 4 mit Zuführung der Gleichspannung über den Leiter c;
. Fig. 18: Empfangsantennen mit fünf Ersatzspannungsquellen, die die fünf Empfangsmöglichkeiten zeigen;

Fig. 19: Empfangsantenne,' die gleichzeitig das magnetische und das elektrische Feld einer Welle empfangt;

Fig. 20: Horizontale Richtdiagramme der Antenne von F ig. 19; . '

F i g. 21: Sendeantenne mit horizontaler Richtwirkung;

Fig. 22: Zwei Antennen nach Fig. Γ in spiegelbildlicher Kombination;

Fig. 23: Kombination zweier Antennen nebeneinander mit gemeinsamem Leiter α;

Fig. 24: Vier Antennen in Kreuzform kombiniert mit gemeinsamem Leiter a;

F i g. 25: Drei Antennen nebeneinander kombiniert mit Serienschaltung der Transistoren.

F i g. 2 zeigt als Beispiel Teil c als gestreckten Leiter, so daß α und c einen gestreckten elektrischen Dipol bilden. Fig. 3 zeigt Teil c als waagerechten Leiter oder waagerechte Fläche, die zusammen mit Leiter α einen elektrischen Dipol bildet, dessen Dachkapazität Teil c ist. Im Beispiel der F i g. 4 ist der Leiter c mit der leitenden Ebene entweder direkt oder über eine passive Schaltung III verbunden. Diese SchaltungIII kann wie in Fig. 17 ein großer Kondensator C_ü zur Gleichspannungsisolation sein. Die Leiter α und c oder die Leiter b und c bilden dann die Stromschleife eines Schleifenunipols.

F i g. 5 zeigt eine Sendeantenne, in der das gesteuerte Element als Verstärker wirkt. Die Schaltung I ist ein Sender S, die Schaltung II im einfachsten Fall ein Kurzschluß. Der Sender speist den aus a und b bestehenden Steuerkreis. Die Teile ft und c bilden den eigentlichen Strahler, in dem der gesteuerte Hauptstrom fließt.

F i g. 6 zeigt eine Sendeantenne, in der wiederum α und b den Steuerkreis bilden. Hier bilden jedoch α und c den eigentlichen Strahler, in dem der Hauptstrom fließt.

In F i g. 7 ist eine Empfangsantenne dargestellt. Die Schaltung I ist ein Empfänger R, die Schaltung II ist hier ein Kurzschluß. Die aus b und c bestehende Empfangsantenne wird durch die Felder einer ankommenden Welle angeregt und erzeugt am gesteuerten Element eine Steuerspannung, die einen Nutzstrom im Kreis a-b erzeugt und so den Empfänger R speist. Der Vergleich der Fig. 5 und 7 zeigt eine Möglichkeit, wie man durch Verdrehen des gesteuerten Elements aus einer Sendekombination eine Empfangs-■ kombination und umgekehrt machen kann. -Dies läßt sich sinngemäß auf alle im folgenden genannten Antennenbeispiele anwenden.

Ein Beispiel für eine Schaltung II ist ein Kondensator Qj wie in Fig. 14, der eine Gleichstromisolation zwischen dem Teil b und der leitenden Fläche d erzeugt, so daß über den Stab b eine Gleichspannung dem gesteuerten Element zugeführt werden kann.

Antennen dieser Art haben folgende technischen Möglichkeiten, die bei den üblichen passiven Antennen überhaupt nicht bestehen.

1. Da die Eigenschaften der.gesteuerten Elemente sich ändern, wenn ihre Gleichspannungen geändert werden, kann man die Eigenschaften einer mit solchen Elementen ausgerüsteten Antenne durch Verändern der Betriebsspannungen des Elements stetig oder sprunghaft' verändern, ohne daß mechanische Bewegungen oder Veränderungen.an der Antenne erforderlich sind. Dies bezieht sich auf die Eingangsimpedanz, die die Antenne als Sendeantenne dem speisenden Generator S anbietet, ferner auf den Innenwiderstand der Quelle, die die Antenne als Empfangsantenne darstellt und die zwischen den Eingangsklemmen des Empfängers R erscheint, ferner auf das Strahlungsdiagramm, d. h. auf die Richtungsabhängigkeit des Sendens und des Empfangs.'

2. Das gesteuerte Element wirkt bei Verwendung geeigneter Antennenformen und geeigneter Betriebsspannungen als Verstärker.

3. Die Resonanzfrequenz der Antenne nach der Erfindung ist geändert gegenüber einer Antenne gleicher Höhe und gleicher Form, die als passive Antenne kein gesteuertes Element enthält. Dies wird im folgenden bewiesen für den Fall einer Antenne nach Fig. 8b als Empfangsantenne, wobei angenommen wird, daß die Gesamthöhe h nennenswert kleiner als die Wellenlänge ist. Ein einfacher, kapazitiv belasteter Stab nach Fig. 8a stellt als Empfangsantenne zwischen den Anschlußpunkten 1 und 2 eine Quelle mit der Leerlaufspannung E ■ h_eff {E = elektrische Feldstärke der ankommenden Welle;

h_ej.j. = wirksame Höhe der Antenne) und einen Innenwiderstand dar, der aus der Serienschaltung der Induktivität L des Stabes b, der Kapazität C des Querstabes c gegenüber der leitenden Fläche und dem Strahlungswiderstand R_s besteht. Die Resonanzfrequenz der Antenne ist dann nach bekannten Formeln

Der Vergleich mit Gleichung (1) läßt erkennen, daß die Resonanzfrequenz um den Faktor

LC

(D

Betrachtet man dagegen die Antenne nach Fig. 8 b, so besitzt diese die beiden in Fig. 9 gezeichneten Stromkreise, die hier für das Beispiel eines Transistors als gesteuertem Element gezeichnet sind. R_E ist der Eingangswiderstand des Empfangers R, L_a die Induktivität des Stabes a, L die Induktivität des Stabes b, C die Kapazität des Antennenteils c und R_s der Strahlungswiderstand des elektrischen Dipols. Im linken Kreis fließt der Basisstrom I_B, im rechten Kreis der Kollektorstrom/,.. Der linke Kreis enthält die aus dem Wellenfeld aufgenommene Spannung E · h_eff wie bei der einfachen Antenne nach Fig. 8a. Die Gleichung des linken Kreises lautet

■ h_eff = I_B

1
''JmC

U_BE ist die Spannung zwischen Basis und Emitter

des Transistors. S ==

U_n

ist die Steilheit des Transistors, β = -γ- der Stromverstärkungsfaktor des Transistors. Dann wird aus (2)

E-K_n =

(3)

Der Kollektorstrom /„ der durch den Empfänger R_E fließt, lautet bei Vernachlässigung der. Rückwirkung des R_E auf den Strom I_c:

erniedrigt wurde. Dies ist für die praktische Anwendung sehr wichtig, weil bei vorgeschriebener Resonanzfrequenz diese aktive Antenne wesentlich niedriger gebaut werden kann als eine passive Antenne. In einem praktisch ausgeführten Beispiel mit einer Antennenhöhe h = 50cm.und einer Dachkapazität C = 12 pF lag die Resonanzfrequenz einer Antenne nach Fig. 8a bei 58 MHz, die Resonanzfrequenz einer Antenne nach Fig. 8b bei 12MHz. Durch Verändern der Gleichspannungen des Transistors kann β verändert und dadurch die Resonanzfreuquenz stetig oder sprunghaft verändert werden.

4. Die Frequenzabhängigkeit der Impedanz der Antenne wird durch den Einbau des gesteuerten Elements geändert, insbesondere wird bei kurzen Strahlern die Bandbreite wesentlich erhöht. Dies ist ein besonderer Fortschritt, weil die Funktechnik die Tendenz zur Miniaturisierung hat und mit kurzen Antennen arbeiten möchte. Kurze Antennen haben wegen des sehr kleinen Strahlungswiderstandes sehr kleine Bandbreite und gestatten daher nur niedrige Modulationsfrequenzen, also geringe Ubertragungsgeschwindigkeit. Die Erfindung ist daher eine wichtige . Möglichkeit zur Erweiterung der Anwendung kurzer Antennen. Das bereits erwähnte Beispiel einer Antenne mit einer Höhe von 50 cm und C = 12 pF hatte als passive Antenne nach Fig. 8a eine 3-db-Bandbreite von 2 MHz, also 3,5% der Mittenfrequenz 58 MHz, und als Antenne nach Fig. 8b einen Frequenzbereich 1 :2,8. Das Verhältnis von Wirkkomponente zu Blindkomponente, das die Bandbreite bestimmt, ist für den einfachen Strahler nach F i g.'8a bei der Resonanzfrequenz

45 W_RC

L =

E-h,

eil

jmCß

Rs)

KK

(4)

mit der Resonanzfrequenz a>_R aus (1). Dagegen ist dieser Quotient für den Strahler nach F i g. 8 b mit den Komponenten aus (4) '

Die Resonanzfrequenz f_R ist diejenige Frequenz, bei der I_c bei gegebenem" E ■ h_eff ein Maximum hat und daher der Nenner ein Minimum durchläuft. Dies tritt ein bei derjenigen Frequenz, bei der die Blindkomponenten des Nenners verschwinden, d. h. mit o)_R = 2nf_R, wenn

Hieraus ergibt sich die Resonanzfrequenz als

(5)

C β

60 mit £u_K aus Gleichung (5). Die Größe.-=- und der

Faktor vergrößern diesen Quotienten im Ver-

yß + 1

gleich zu dem entsprechenden Quotienten 7 bei einer passiven Antenne. Durch Ändern der Steilheit S kann man die Bandbreite ändern.

5. Der Transistor ändert auch die Größe der auftretenden Impedanzen. Das folgende Beispiel zeigt,

309 621/174

daß die erfindungsgemäße, kurze Antenne bei der Resonanzfrequenz reelle Eingangswiderstände besitzen kann, deren Größe sehr nahe an den Wellenwiderständen der üblichen Koaxialkabel liegt, während passive, kurze Antennen sehr kleine Wirkwiderstände besitzen, die man durch bandbreitenvermindernde und verlustbehaftete Transformationsschaltungen an den Wellenwiderstand koaxialer Zuleitungen anpassen muß. Mißt man z. B. für die in Fig. 10 dargestellte Empfangsantenne die ImpedanzZ, die als Abschluß des gezeichneten Koaxialkabels erscheint, so hat diese bei einem bestimmten Kollektorgleichstrom des Transistors bei der Resonanzfrequenz einen Wirkwiderstand von 60 Ω, während die entsprechende passive Antenne gleicher Höhe nach Fig. 8a zwischen den Klemmen 1 und 2 einen Wirkwiderstand von 6 Ω hat. Durch Ändern des Kollektorgleichstroms kann man den Wirkwiderstand ändern und auf gewünschte Werte bringen.

6. Eine solche Antenne kann, wie in F i g. 23 bis 25 gezeigt wird, aus mehreren Dipolen bestehen. Durch Überlagerung dieser Dipolwirkungen kann ein Richteffekt im Strahlungsdiagramm erzeugt werden, der auch bei räumlich sehr kleinen Antennen stark ausgeprägt ist und durch Regeln der Betriebsspannungen des gesteuerten Elements verändert werden kann.

Fig. 11b zeigt eine Möglichkeit, den einfachen Transistor durch zwei aufeinanderfolgende Transistoren zu ersetzen, wobei die in F i g. 11b gezeichnete Kombination der beiden Transistoren wieder ein gesteuertes Element mit Dreipolcharakter (Anschlüsse 1, 2 und 3) ist, das in Fig. 11a als gesteuertes Element E einzusetzen ist. Der Vergleich von Fig. 8b und 11a zeigt, daß das Grundprinzip der Erfindung erhalten bleibt, wenn man ein gesteuertes Element mit Dreipolcharakter dadurch erzeugt, daß man mehrere vorhandene Elemente zu einem gemeinsamen Dreipol kombiniert. Diese Kombination hat bei passender Schaltung nicht nur höhere Verstärkung und bessere Entkopplung zwischen Eingang (Klemmen 1 und 2) und Ausgang (Klemmen 1 und 3), sondern hat auch Möglichkeiten, die mit einem einzigen Transistor nicht gegeben sind. Verwendet man beispielsweise zwei Transistoren in der Schaltung der Fig. 11b und .vernachlässigt zwecks Schaffung einfacher Formein die Basisströme der beiden Transistoren, so ist der KollektorstromI_cl = S₁U₁ des !.Transistors der Eingangsstrom des Dreipols, und am Widerstand R₁ entsteht die Spannung U₂ = I_cl · R₁, die den 2. Transistor steuert. Der Ausgangsstrom ist der Kollektorstrom I_c2 -S₂-U₂ des zweiten Transistors. S₁ und S₂ sind die Steilheiten der beiden Transistoren. Die Steilheit S₂ des gesamten Dreipols ist

S — -jj- — S₁S₂ R₁.

55

Der Stromverstärkungsfaktor des gesamten Dreipols ist .

β = IfL = S₂R₁.

■•el

(10)

Durch getrenntes Regeln von S₁ und S₂ kann man S und β getrennt regeln, d. h. nach (5) und (8) die Resonanzfrequenz und die Bandbreite getrennt regeln.

Fig. 12 gibt ein Beispiel für ein Element E mit drei Transistoren und einem' die Schaltung umgebenden Schirm e. Der Transistor T₃ ist beispielsweise in Kollektorschaltung gezeichnet. In bekannter Weise stellt der Ausgang dieses Transistors dann eine Quelle mit kleinem Innenwiderstand dar. Macht man diesen Innenwiderstand durch Wahl der Betriebsgrößen des Transistors gleich dem Wellenwiderstand eines gebräuchlichen koaxialen Kabels, so kann man wie in Fig. 13 durch das Innere des Antennenteils α ein koaxiales Kabel ziehen und dieses am oberen Ende des Teils α durch den Transistor T₃ so speisen, daß das Kabel durch eine Quelle mit angepaßtem Innenwiderstand gespeist wird.

Die Fig. 12 zeigt, daß die gesamte aktive Schaltung einen Dreipol darstellt. In Fig. 12 ist der Nutzwiderstand Z₀ örtlich in die aktive Schaltung einbezogen. Stellt man Z₀ als den Eingangswiderstand eines am Ende mit Z₀ belasteten Kabels dar, so kann dieses wie in Fig. 13 in an sich bekannter Weise innerhalb des Stabes α geführt werden, ohne die Wirkungsweise der Anordnung zu verändern.

Wenn man das Prinzip der Kombination von Transistoren weiter ausbaut, kann man bei Verwendung miniaturisierter Schaltungen an Stelle des Elements E den Hochfrequenzteil eines Empfängers teilweise oder ganz, gegebenenfalls einschließlich Demodulator, einsetzen und die Ausgangsspannung durch das in Fig. 13 gezeichnete Kabel herausführen. Dabei können auch die bekannten Frequenzselektionsmittel in den gesteuerten Dreipol eingebaut werden. Als vorteilhafte Lösung erscheint es dann, die Schaltung so aufzubauen, daß das Abschirmgehäuse dieses am Ort E liegenden Empfängers als Dachkapazität C verwendet werden kann. Die Zuleitung der Betriebsgleichspannungen kann auf drei Wegen erfolgen:

1. Durch das Innere der Teile α, b und c; letzteres nur, wenn der Leiter c wie in F i g. 4 mit der leitenden Fläche verbunden ist. In Fig. 15 ist die Basisspannung durch das Innere des Leiters b über einen hohen Widerstand R₀ an die Basis des Transistors geführt.

2. Über das Äußere der Teile a, b und c, wobei gegebenenfalls die Verbindung zwischen diesen Teilen und der leitenden Fläche durch Uberbrückungskondensatoren C_B erfolgt und die Gleichspannungen zwischen den genannten Teilen und der leitenden Ebene liegen. Beispiel eines Uberbrückungskondensators C₈ in F i g. 14 am Teil b unten und in Fig. 17 am Teil c unten.

3. Bei Gleichspannungen mit sehr kleinem Stromverbrauch auch über Hilfsstäbe, z. B. Stab / in Fig. 14, wobei die Verbindung zwischen dem Stabende und dem Transistor durch einen sehr hohen Widerstand .R₀ erfolgt, so daß der Hilfsstab hochfrequent nicht an der Steuerung des Transistors beteiligt ist. Eine komplette miniaturisierte Empfangsanlage kann dann nach dem Schema von Fig. 16 aufgebaut werden. Ein metallischer Kasten A enthält die Stromversorgung und die Verstärker für das demodulierte Signal, ein metallischer Kasten B den Hochfrequenzteil des Empfängers. Zwischen den beiden Kästen laufen Stäbe, die gleichzeitig als Antennenteile nach der Erfindung, als Gleichstromleitungen und als Signalleitungen dienen. Durch Einbetten in Kunststoff kann die mechanische Stabilität des Gebildes sichergestellt werden.

I 541 482

11 12

Eine Antenne nach der Erfindung kann Rund- Einstellen der Transistorgleichspannungen erreicht strahler oder Richtstrahler sein, je nach der Lage der werden, daß wie in Fig. 20 (KurveII) eine Null-Anschlüsse des gesteuerten Elements bezüglich der richtung entsteht. In solchen Antennen kann man Antennenleiter α, b und c, je nach den Arbeitsbe- dem Stab σ eine Dachkapazität wie in Fig. 19 dingungen des gesteuerten Elements und je nach der 5 geben, um seine Empfangswirkung in der Schaltung Form und dem Abstand der Antennenteile a, b und c. zu verbessern. Gleiche Richtwirkung ergeben bei An der Gesamtrichtwirkung sind im Sendefall und

im Empfangsfall mehrere Effekte beteiligt, die den passiven Antennen zwei Stabstrahler im Abstand 4. jeweiligen Anforderungen entsprechend zu kombinieren sind. Es wird im folgenden als Beispiel io Während bei der erfindungsgemäßen Antenne bei zunächst der Empfangsfall mit kurzen Stäben für gleicher Richtwirkung die horizontale Ausdehnung das Beispiel der Fig. 17 betrachtet. Alle drei Stäbe α, der Antenne, d. h. der Abstand zwischen, den Teufe und c empfangen jeder für sich das elektrische Feld stücken α und c im Prinzip beliebig klein gemacht mit Rundstrahlcharakteristik. Dies ist im Ersatz- werden kann, benötigen passive Richtantennen eine bild der Fig. 18 durch drei Quellen Q₁, Q₂ und Q₃ 15 Mindestausdehnung, die nicht mehr klein gegen die dargestellt, wobei diese Quellen durch Kapazitäten Wellenlänge ist.

C₁, C₂ und C₃ an die Stäbe«, b und c angekoppelt Ebenso kann eine Sendeantenne Richtwirkung ersind. In Fig. 18 gibt es zwei Stromschleifena-b zeugen. Zum Beispiel ergibt eine Sendeantenne nach und b-c, die das magnetische Feld mit Rahmen- Fig. 21 Richtdiagramme wie in Fig. 20. Im Strahcharakteristik empfangen. Dieser Empfang ist durch 20 ler α fließt der Steuerstrom I_B zum Transistor in der Quellen Q₄ und Q₅ dargestellt. Zwischen diesen Quel- Schleife a-b und der eigentliche Antennenstrom I_R len können auch Phasendifferenzen bestehen, je nach über die Eigenkapazität C₀ des elektrischen Dipols a. der Richtung, aus der die empfangene Welle kommt. In der Schleife b-c fließt der gesteuerte Kollektor-Je größer die Abstände der Leiter a, b und c sind, strom I_c. Während die vom kleinen Strom I_B durchdesto größer können diese Phasendifferenzen sein. 25 fiossene Schleife a-b kaum strahlt, ist die Gesamt-Diese Quellen erzeugen Spannungen zwischen den strahlung die Summe der Strahlung des elektrischen Anschlußklemmen des gesteuerten Dreipols und korn- Dipols α mit dem Strom I_R und des magnetischen binieren sich dort. Je nach der Verbindung der Dipols b-c mit dem Strom I_c.

Klemmen 1, 2, 3 des gesteuerten Dreipols E mit den Einzelstrahler nach der Erfindung können nach Anschlüssen der Antennenteile α, b und c liegen die 30 den gleichen, bekannten Regeln kombiniert werden Teilspannungen zwischen verschiedenen Klemmen- wie bei passiven Strahlern. So ist es möglich, den paaren des gesteuerten Elements und wirken dem- Einzelstrahler der Fig. 1 durch symmetrische Erentsprechend verschieden auf den Steuervorgang ein. gänzung zu einem symmetrischen Strahler wie in Beispielsweise wirkt beim Transistor eine Wechsel- Fig. 22 zu ergänzen. Die in Fig. 22 gestrichelte spannung zwischen Emitter und Basis stark steuernd 35 leitende Ebene kann dann in bekannter Weise fort- und ist nur mit dem kleinen Basiswechselstrom fallen. Ebenso kann man gleiche Einzelstrahler nach belastet, während eine Wechselspannung zwischen Fig. 1 oder gleiche symmetrische Strahler nach Emitter und Kollektor nur wenig steuernd wirkt und F i g. 22 in frei bleibender Zahl über- und/oder mit dem großen Kollektorwechselstrom belastet ist. nebeneinander setzen und so in bekannter Weise Mit Hilfe dieser bekannten Regeln kann man die An- 40 Strahlerzeilen, Strahlerspalten oder Strahlerflächen tenne für bestimmte Richtwirkung in geeigneter Weise aufbauen und Richtwirkung nach bekannten Regeln formen und zusammenbauen. ' schaffen. . .. .

Bei der Antenne nach F i g. 7 ist der magnetische Wenn man zwei Antennen nebeneinanderstellt und

Empfang der Schleife a-b nahezu wirkungslos, da vom gleichen Sender speist oder auf den gleichen

der Transistor auf der Emitter-Kollektor-Strecke hoch- 45 Empfänger arbeiten läßt, kann man die Konstruktion

ohmig ist und sich dort kaum steuern läßt. Dagegen manchmal dadurch vereinfachen, daß man beiden

liegt die von der Kombination b-c aus dem elektri- Antennen einen gemeinsamen Stab α gibt. Für eine

sehen Feld entnommene Spannung an der steuernden Einzelantenne nach Fig. 17 entsteht dann beispiels-

Emitter-Basis-Strecke und wird vom Transistor weise die Anordnung der F i g. 23. Die rechte und die

verstärkt. Diese Antenne hat daher keine meßbare 50 linke Einzelantenne geben dann Richtwirkungen wie

horizontale Richtwirkung, sondern Rundempfang in Fig. 20 mit entgegengesetzten Nullrichtungen,

durch den Stab b-c. Durch Einstellen der Gleichspannungen der beiden

Eine Antenne nach Fig. 17 empfängt das magne- Transistoren kann man die beiden Richtwirkungen in tische Feld mit der Schleife b-c mit Richtwirkung. beliebiger Weise kombinieren und so die Summen-Diese Spannung (Quelle Q₄) steuert den Transistor 55 richtwirkung variieren. Nach dem gleichen Prinzip und gibt Empfangsspannung im Empfänger R. Die- zeigt F i g. 24 eine Anordnung von vier gleichen Ansem Empfang überlagert sich der Rundempfang des tennen in Kreuzform. Da alle vier Antennen den Stabes α aus dem elektrischen Feld (Quelle Q₁). Ihre gleichen Empfänger speisen, stellt es eine konstruk-Summe im Empfänger R gibt einen horizontalen tive Vereinfachung dar, allen vier Antennen einen ge-Richtempfang, wie er als Horizontaldiagramm in 60 meinsamen Stab α zu geben. Eine Dachkapazität Fig. 20 (Kurven I bis III) gezeichnet ist. Die Quelle Q₃ des Stabesa in Fig. 24 wie in Fig. 19 verbessert ist durch den Stab c nahezu kurzgeschlossen und den Empfang des elektrischen Dipols. .
wirkungslos. Die QuelleQ₂ ist durch den Stabb Während die in Fig. 23 und 24 beschriebenen nahezu kurzgeschlossen und wirkungslos. Die Quelle Kombinationen nur dann konstruktiv möglich sind, Q₄. hat im hochohmigen Kollektorkreis keine Wir- 65 wenn die Antennen sehr nahe beieinander liegen, kung. Die Form des Richtdiagramms der Fig. 20 zeigt Fig. 25 eine Kombination von Einzelantennen, hängt ab von der Größe der Schleife b-c und dem zwischen denen größere Abstände bestehen. Es ist beVerstärkungsfaktor des Transistors. Es kann durch kannt, daß man Richtantennen aus nebeneinander-

stehenden Strahlern aufbauen kann, wobei man die Einzelantennen mit phasendrehenden Zwischenleitungen zusammenschaltet. "F i g. 25 zeigt eine vorteilhafte Version dieses Grundgedankens bei Antennen nach der Erfindung. Die linke Antenne ist in diesem Beispiel eine Antenne wie in Fig. 8b. An Stelle des Empfängers R liegt eine Leitung, die mit dem in Fig. 10 dargestellten WiderstandZ der mittleren Antenne abgeschlossen ist. Z kann ein reflexions-, freier Abschluß der Zwischenleitung sein. Ebenso arbeitet die mittlere Antenne wieder auf eine Leitung, die mit dem Eingangswiderstand Z der dritten Antenne abgeschlossen ist. Am Ende dieser Strahlerreihe liegt der Empfänger R. Es entsteht ein einziger Stromkreis für den Strom aller gesteuerten Dreipole, die in diesem Stromkreis in Serie geschaltet liegen. Dieser Strom wird in jeder der beteiligten Einzelantennen gesteuert. Die Steuerung des Stromes ist eine Überlagerung der Steuerwirkung aller Einzelantennen unter Einschluß der Phasenlagen der Steuerspannungen. Wenn die Einzelantennen einen gewissen Abstand haben, entsteht hierbei eine Richtwirkung, die der bekannten Richtwirkung nebeneinanderstehender Einzelstrahler entspricht, wobei die Antenne nach Fig. 25 jedoch alle bisher genannten Vorteile der Erfindung besitzt.

Eine Empfangsantenne nach der Erfindung kann als aktiver Reflektor wirken, wenn man den Empfänger durch eine passive Schaltung oder einen Kurzschluß ersetzt. Wenn die Antenne durch eine ankommende Welle erregt wird, entstehen in den Stromkreisen der Antenne Ströme, darunter auch verstärkte Ströme. Diese Ströme erzeugen mit Hilfe der Antenne wieder Wellen im umgebenden Raum, die von der Antenne ausgehen. Durch überlagerung der Teilwellen der verschiedenen Teildipole der Antenne kann die von der Antenne ausgehende Summenwelle eine gerichtete Strahlung sein, die nach Richtung und Winketbreite durch Ändern der Gleichspannungen des gesteuerten Elements geändert werden kann.

Hierzu 5 Blatt Zeichnungen

Claims (21)

Patentansprüche:

1. Antenne mit Dipolcharakter mit einem Antennenleiter, in den an einer Unterbrechungsstelle ein aktives Element eingeschaltet ist und der gegen eine leitende Fläche erregt ist, dadurch gekennzeichnet, daß das aktive Element ein gesteuerter Dreipol (E) ist, an dessen dritten Pol ein zusätzlicher, in Richtung auf die leitende Fläche (d) weisender Antennenleiter (b) angeschaltet ist, der über einen passiven Zweipol (II) mit der leitenden Fläche verbunden ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mit Dipolcharakter ein stabförmiger Unipol ist (F i g. 2).

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der oberhalb der Unterbrechungsstelle befindliche Antennenleiter (c) zumindest teilweise als Dachkapazität ausgebildet ist (F i g. 3).

4. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne mit Dipolcharakter ein Schleifenunipol (a, c) ist (F i g. 4).

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Sendeantenne ist und der mit dem Sender verbundene Antennenleiter (α) mit der Steuerelektrode des gesteuerten Dreipols verbunden ist (F i g. 5).

6. Antenne nach Anspruch!, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Sendeantenne ist und der mit dem Sender verbundene Antennenleiter (α) mit der Quellelektrode des gesteuerten Dreipols verbunden ist (F i g. 6).

7. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Antenne eine Empfangsantenne ist und der mit dem Empfänger verbundene Leiter (ä) mit der Quellelektrode des gesteuerten Dreipols verbunden ist (F i g. 7).

8. Antenne nach Anspruch 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Dreipol aus mehreren in Kaskade geschalteten gesteuerten Einzeldreipolen besteht (F i g. 11 a, 11 b).

9. Antenne nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Einzeldreipole mit Hilfe veränderbarer Gleichspannungen getrennt einstellbar sind.

10. Antenne nach Anspruch 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Dreipol frequenzabhängige passive Schaltungen enthält.

11. Antenne nach Anspruch 8 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß sie als Empfangsantenne verwendet ist und der gesteuerte Dreipol so ausgebildet ist, daß er eine Quelle mit einem reellen Innenwiderstand darstellt, der gleich dem Wellenwiderstand der Ausgangsleitung ist. und daß diese Ausgangsleitung durch das Innere eines Antennenleiters (α) geführt ist (Fig. 13).

12. Antenne nach Anspruch 11, dadurch gekennzeichnet, daß im gesteuerten Dreipol eine Frequenzumwandlung oder Demodulation stattfindet.

13. Antenne nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, daß der gesteuerte Dreipol (JE) in einer metallischen Abschirmhülse (e) untergebracht ist und daß diese als Dachkapazität dient.

14. Kombination von Antennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Antennen symmetrisch zur leitenden Fläche angeordnet sind, wobei nur eine leitende Fläche verwendet ist (F i g. 22).

15. Antennenkombination nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, daß die leitende Fläche weggelassen ist (F i g. 22).

16. Kombination von Antennen nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß zwei gleiche Antennen nebeneinandergesetzt sind und der mit dem Sender oder Empfänger verbundene Antennenleiter beiden Antennen gemeinsam ist (Fig. 23).

17. Kombination von Antennen nach Anspruch 1 bis 15, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere gleiche Antennen sternförmig um einen gemeinsamen mit einem Sender oder Empfänger verbundenen Antennenleiter (α) angeordnet sind (Fig. 24).

18. Antennenkombination nach Anspruch 16 und 17, dadurch gekennzeichnet, daß die gesteuerten Dreipole der Antennen mit Hilfe veränderbarer Gleichspannungen derart einstellbar sind, daß die Hauptstrahlungsrichtung und/oder die Form des Richtdiagramms der Gesamtantenne in gewünschter Weise eingestellt ist.

19. Kombination von Antennen nach Anspruch 1 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere Antennen nebeneinander angeordnet und derart in Serie geschaltet sind, daß bei den einzelnen Antennen mit Ausnahme der letzten Antenne der den zusätzlichen Antennenleiter mit der leitenden Fläche verbindende Zweipol durch den Eingangswiderstand einer die betreffende Antenne mit der benachbarten Antenne verbindenden, vorzugsweise parallel zur leitenden Fläche verlaufenden Leitung dargestellt ist (F i g. 25).

20. Antenne nach Anspruch 19, dadurch gekennzeichnet, daß zur Einstellung der Richtwirkung der Antenne die gesteuerten Dreipole aller Antennen mit Hilfe eines allen gesteuerten Dreipolen gemeinsamen Gleichstroms einstellbar sind.

21. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der die Unterbrechungsstelle aufweisende Antennenleiter (a, c) anstatt über eine Erregung (I) über einen passiven Zweipol oder Kurzschluß mit der leitenden Fläche verbunden ist.