DE19546257A1 - Magnetische Richtantenne - Google Patents

Description

Bei der Erfindung handelt es sich um eine Richtantenne kompakter Bauform, d. h. gemessen an der Wellenlänge der Empfangs- bzw. Sendefrequenz weist die Antenne kleine Abmessungen auf.

Es ist bekannt, solche Antennen als sogenannte magnetische Antennen auszubilden. Bei dieser Art handelt es sich um einen meist kreisrunden oder vieleckigen Rahmen, der an einer Stelle unterbrochen ist. An den beiden Enden des Rahmens ist ein Kondensator angebracht ("Antennenbuch", Karl Rothammel, Franckh-Kosmos Verlag, 10. Auflage 1991, Seiten 288 bis 394). Elektrisch betrachtet stellt der Rahmen eine Induktivität dar, die in Verbindung mit dem Kondensator einen Parallelschwingkreis bildet. Die Resonanzfrequenz berechnet sich aus der Induktivität des Rahmens und der Kapazität des Kondensators nach der Thomsonschen Schwingungsgleichung und ist gleichzeitig identisch mit der Sende­ bzw. Empfangsfrequenz. Soll die Antenne für den Betrieb auf mehreren Frequenzen ausgelegt werden, so muß die Kapazität des Kondensators veränderbar sein (Deutsches Gebrauchsmuster G 91 06 243.8). Auch um die Toleranzen des Aufbaus auszugleichen ist es i. allg. üblich zumindest einen Teil der Kapazität als Drehkondensator auszulegen.

Bei magnetischen Antennen bleibt das elektrische Feld zwischen den Platten des Kondensators konzentriert, wohingegen die magnetische Komponente durch die ausgedehnte Form des Rahmens in den Raum hinausreicht und abgestrahlt wird. In einiger Entfernung zur Antenne bildet sich dann zusätzlich die elektrische Komponente des Strahlungsfeldes auf, so daß das Feld sich nicht von dem eines gewöhnlichen Dipols unterscheidet. Da die Antenne jedoch klein gegenüber der Wellenlänge ist, weist sie einen kleinen Strahlungswiderstand auf. Dadurch ist der erzielbare Wirkungsgrad begrenzt und kleiner als bei üblichen Antennenformen wie z. B. dem Dipol, der eine Länge von der halben Wellenlänge aufweist.

Das horizontale Strahlungsdiagramm einer magnetischen Antenne entspricht bei senkrechtem Aufbau des Rahmens einer Acht. Bei waagerechtem Aufbau des Rahmens ist das Horizontaldiagramm kreisförmig. Daraus ergibt sich die gleichstarke Abstahlung in unterschiedliche Raumrichtungen (Firmenschrift "Abstimmbare Magnetische Antennen" von Dipl. Ing. Christian Käferlein, Weinbergstraße 5, 64285 Darmstadt). Legt man eine, aus technischen und wirtschaftlichen Gründen begrenzte Sendeleistung zugrunde, so ist es wünschenswert diese Sendeleistung in einer bestimmten, dem Empfänger zugewandten Richtung zu konzentrieren. Ferner ist es aus Gründen des Emissionsschutzes nicht angebracht in Richtungen zu senden, die nicht dem Empfänger zugerichtet sind.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine magnetische Antenne zu entwickeln, die eine Richtwirkung aufweist und damit in eine bestimmte Raumrichtung, zu Ungunsten anderer Richtungen, maximal stark abstrahlt.

Die Aufgabe wird durch die im Patentanspruch 1 aufgeführten Merkmale dadurch gelöst, daß außer dem Hauptelement noch mindestens ein weiteres Element, bestehend aus mindestens einem Rahmen und einem Kondensator vorhanden ist, so daß die Strahlung in einer bestimmten Raumrichtung (Hauptstrahlrichtung), zu Ungunsten von anderen Richtungen, verstärkt wird.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sich der durch die Bauart bei magnetischen Antennen bedingte geringere Wirkungsgrad und die damit verbundene geringere Feldstärke durch die erzielte Richtwirkung in gewissem Rahmen kompensieren läßt. Zusätzlich werden beim Empfangsbetrieb Störungen, die nicht aus der Hauptstrahlungsrichtung einfallen stark gedämpft. Auch gehen von der Antenne weniger Störungen anderer Funkteilnehmer aus, da sie in Richtung Empfangsstation ausgerichtet werden kann. Ein weiterer Vorteil gegenüber herkömmlichen Antennen besteht in dem geringeren Platzbedarf der Antenne.

Die unterschiedlichen Ausgestaltungsmöglichkeiten für das oder die zusätzlichen Elemente zum erzielen einer Richtwirkung sind in den Patentansprüchen 2, 3 und 4 angegeben. Durch die Abstimmbarkeit des zusätzlichen Elementes kann seine Resonanzfrequenz etwas von der Sende- bzw. Empfangsfrequenz abweichen, wodurch sich die Richtwirkung optimieren läßt (Anspruch 5). Besonders einfach ergibt sich der Aufbau wie in Anspruch 6 angegeben, wenn das zusätzliche Element nur durch Strahlung mit dem Hauptelement gekoppelt ist.

Eine weitere vorteilhafte Ausgestaltung der Antenne ist im Patentanspruch 7 angegeben. Die Speisung von weiteren Elementen, außer dem Hauptelement ermöglicht eine besonders effektive Ausrichtung der Strahlung, sie wird aber durch einen höheren technischen Aufwand erkauft.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in den Zeichnungen dargestellt und wird im Folgenden näher beschrieben.

Es zeigen

Fig. 1 Gesamtansicht eines Ausführungsbeispiels mit einem zusätzlichen aktiven, d. h. gespeisten Element.

Fig. 2 Ansicht des Hauptelementes.

Fig. 3 Ansicht eines zusätzlichen aktiven Elementes.

Fig. 4 Zeichnung der Zusammenfassung.

Bei der in Fig. 1 gezeigten magnetischen Richtantenne handelt es sich um eine Ausführung mit Hauptelement 10 und einem zusätzlichen Element 11. Das zusätzliche Element ist aktiv, d. h. es wird ebenfalls durch eine Phasenleitung 12 direkt gespeist. Das Hauptelement 10 besteht aus einem Kupferring 1, der an einer Stelle unterbrochen ist. An der Unterbrechungsstelle ist der veränderbare Kondensator 2a angebracht. Da die Antenne nur über einen bestimmten Frequenzbereich abgestimmt werden soll, ist es nicht notwendig, die gesamte, für Resonanz benötigte Kapazität als Drehkondensator auszubilden. Aus diesem Grunde ist noch ein Festkondensator 2b vorhanden, der zum Drehkondensator 2a parallelgeschaltet ist. Da Antennen i. allg. an Orten installiert sind, die nicht ohne weiteres zugänglich sind ist das Abstimmen aus der Ferne von Vorteil. Um dieses zu ermöglichen ist ein Motor mit Getriebe 5 vorhanden, der den Rotor des Drehkondensators 2a antreibt. Um beim Senden Energie in das System einzukoppeln, bzw. beim Empfang Energie aus dem System abzuzweigen, ist ein zweiter, kleinerer Drahtring 3 vorhanden. Der Kupferring 1 und der Drahtring 3 sind nicht galvanisch verbunden. Der Schwingkreis, gebildet aus dem Kupferring 1 und dem Kondensator 2a und 2b wird durch induktive Kopplung mit dem Drahtring 3 angeregt. Die Enden des Drahtringes 3 sind an den Buchsen 14 angeschlossen. Über das Speisekabel 15 wird der Sendeempfänger angeschlossen.

Die geometrischen Abmessungen betragen bei diesem Beispiel 60 cm Durchmesser für den Kupferring 1, 18 mm Durchmesser des Ringrohres selbst und ca. 14 cm Durchmesser für den Drahtring 3. Die Sende-, bzw. Empfangsfrequenz beträgt 14 000 bis 14 070 MHz. Die Kapazität des Drehkondensators 2a ist von 5 bis 75 pF einstellbar, der Blockkondensator 2b weist 50 pF auf. Der Eingangswiderstand beträgt ca. 50 Ohm.

Das zusätzliche Element 11 besteht ebenfalls aus einem Kupferring 7, an dessen Enden ein Kondensator 8 angebracht ist. Auch hier setzt sich die Kapazität aus einem festen Teil 8b und einem veränderlichen Teil 8a zusammen. Zum Abstimmen auf beste Richtwirkung ist der Drehkondensator mit einem Motor 9 antreibbar. Die Abmessungen und elektrischen Werte sind identisch zum Hauptelement 10. Das Hauptelement 10 und das zusätzliche Element 11 sind durch einen Kunststoffträger 6 mechanisch miteinander verbunden. Der Abstand der beiden Elemente ist abhängig von der Betriebswellenlänge und beträgt ca. 0,125 λ. Im Beispiel entspricht das 2,5 m.

Das zusätzliche Element 11 wird über die Phasenleitung 12 aktiv angeregt. Hier wird die Phasenleitung 12 an den Drahtring 13 angeschlossen.

Der Drahtring 13 ist bez. des Drahtrings 3 "umgekehrt" an die Phasenleitung 12 angeschlossen, wodurch sich eine Phasenverschiebung des Stromes von 180° ergibt. Durch die Phasenleitung 12 selbst kommt nochmals eine Verschiebung von 45° (entsprechend einem Abstand von 0,125 λ) zustande, so daß sich eine gesamte Phasenlage von 225° ergibt. Das erzeugte Strahlungsfeld beider Elemente 10 und 11 addiert sich in der Richtung von zusätzlichem Element 11 zum Hauptelement 10 (Hauptstrahlrichtung). In entgegengesetzter Richtung subtrahieren sich die Felder nahezu ganz.

Eine weitere Ausgestaltungsmöglichkeit der Erfindung besteht darin, zusätzliche Elemente in Bezug auf die Hauptstrahlrichtung vor dem Hauptelement anzuordnen. Um bei dieser Anordnung eine maximale Richtwirkung zu erzielen, ist die Einstellung der Resonanzfrequenz des zusätzlichen Elementes nicht identisch zu der oben beschriebenen Anordnung.

Eine weitere, etwas einfachere Gestaltung der Antenne ergibt sich, wenn das zusätzliche Element nur durch Strahlung mit dem Hauptelement gekoppelt ist. Dadurch läßt sich die Einkoppelvorrichtung des zusätzlichen Elementes, sowie die Phasenleitung einsparen.

Als besonderer Vorteil der Antenne ist die Kombination einer platzsparenden Anordnung mit der Eigenschaft der Richtwirkung anzusehen. Dies wird zwar durch einen höheren technischen Aufwand erkauft, der jedoch auch durch die weiteren Vorteile wie Ausblendung von Störsignalen und weniger Störungen von anderen Funkteilnehmern wieder ausgeglichen wird.

Claims (8)

1. Magnetische Richtantenne bestehend aus einem Hauptelement, das aus einem an einer Stelle geöffneten Rahmen aufgebaut ist, wobei an der Öffnung ein Kondensator angebracht ist, so daß der Rahmen und der Kondensator auf der Sende- bzw. Empfangsfrequenz einen sich in Resonanz befindlichen Schwingkreis darstellen, der durch eine Einkoppelvorrichtung im Sendefall vom Sender mit Energie versorgt wird, bzw. aus dem im Empfangsfall durch die Einkoppelvorrichtung Energie entnommen und zum Empfänger geleitet wird, dadurch gekennzeichnet, daß außer dem Hauptelement noch mindestens ein weiteres Element, bestehend aus einem Rahmen und einem Kondensator vorhanden ist, so daß die Strahlungsstärke in einer bestimmten Raumrichtung (Hauptstrahlrichtung), zu Ungunsten von anderen Richtungen, verstärkt wird. Dies gilt in analoger Weise für den Empfangsfall.

2. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich weitere Elemente bezogen auf die Hauptstahlrichtung hinter dem Hauptelement befinden.

3. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich weitere Elemente bezogen auf die Hauptstahlrichtung vor dem Hauptelement befinden.

4. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich weitere Elemente bezogen auf die Hauptstahlrichtung vor und hinter dem Hauptelement befinden.

5. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente nicht zwingend auf der Sende- bzw. Empfangsfrequenz resonant sind.

6. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die weiteren Elemente nur durch Strahlung mit dem Hauptelement gekoppelt sind.

7. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mindestens eines der weiteren Elemente ebenfalls mit einer Einkoppelvorrichtung ausgestattet ist und damit zusätzlich direkt im Sendefall vom Sender mit Energie versorgt wird, bzw. im Empfangsfall Strahlung aufnimmt und an den Empfänger weiterleitet.

8. Magnetische Richtantenne nach Anspruch 1, 7, dadurch gekennzeichnet, daß das jeweilige weitere gespeiste Element durch eine Hochfrequenzleitung so angeschlossen ist, daß sich durch die Länge der Leitung eine Laufzeit d. h. Phasenverschiebung im Vergleich zum Hauptelement einstellt, die das jeweilige weitere Element so anregt, daß es zu einer phasenrichtigen Addition der Strahlung des Hauptelementes und des jeweiligen weiteren Elementes führt.