DE19616252A1 - Induktiv eingespeiste magnetisch wirksame Breitbandantenne - Google Patents

Description

Die vorliegende Erfindung geht aus von einer induktiv ein­ gespeisten magnetisch wirksame Breitbandantenne nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1.

Eine derartige magnetisch wirksame Breitbandantenne ist aus der DE 40 05 982 C2 bekannt. Die DE 40 05 982 C2 beschreibt eine koaxial eingespeiste Breitbandantennenanordnung, deren 5 Strahler­ elemente in einer horizontalen Ebene angeordnet und an ein ge­ meinsames koaxiales Speisekabel angeschlossen sind. Ferner sind magnetisch wirksame Antennen beschrieben in einem Prospekt der Firma Anneke HF- Techn. Bauelemente GmbH (Liste 92), Jäkleinstraße 48, 7100 Heilbronn-Böckingen sowie in einem Prospekt (Stand Fe­ bruar 1990) der Firma Industrie-Elektronik Dipl.-Ing. Christian Käferlein, 64285 Darmstadt, Weinbergstr. 5. Beide Firmen beschrei­ ben magnetisch wirksame Loop-Antennen, die über Koppelschleifen, Koaxiaikabel, entsprechende Stecker und Buchsen eingespeist werden.

Sowohl die Koppelschleifen als auch die Loopringe haben mit dem einspeisenden Koaxiaikabel galvanisch Verbindung. Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine induktiv eingespeiste, magnetisch wirksame Breitbandantenne so weiterzubilden, daß unter Beibehal­ tung eines guten Wirkungsgrades,
bei Empfang von HF-Signalen die Empfindlichkeit gestei­ gert, die physikalische Größe der induktiv eingespeis­ ten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne verringert wird, sie sowohl vertikal als auch horizontal betrieben werden und dabei eine zielgenaue Richtwirkung sowohl im Freien, bei Unter-Dach-Montage, als auch aus geschlos­ senen Räumen erreicht werden kann.

Die Aufgabe wird bei einer induktiv eingespeisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art erfindungs­ gemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1 angege­ benen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausführungen sind in den Unteransprüchen angegeben. Die erfindungsgemäße, induktive inge­ speiste, magnetisch wirksame Breitbandantenne wird anhand der Fig. 1-5 näher erläutert. Es zeigen, der Klarheit wegen, aufgeteilt in Teil 1 und Teil 2:

Fig. 1 eine Draufsicht des induktiv einzuspeisenden Teils 1 der magnetisch wirksamen Breitbandantenne

Fig. 2 eine Draufsicht des induktiv einspeisenden Teils 2 der magnetisch wirksamen Breitbandantenne,

Fig. 3 den induktiv einspeisenden Teil 2 der magnetisch wirk­ samen Breitbandantenne, mit Blick auf Element 14 und die Anordnung der BNC-Buchse, für ein einspeisendes Koaxial­ kabel,

Fig. 4 eine Draufsicht auf die aus Teil 1 und 2 bestehende, induktiv eingespeiste, magnetisch wirksame Breitband­ antenne,

Fig. 5 eine Seitenansicht der aus den Teilen 1 und 2 beste­ henden, induktiv eingespeisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne.

Fig. 1

Bei einer beispielhaften Ausführung gemäß Fig. 1 sind die beiden, innerhalb der magnetischen Loops wirksamen Drehkondensatoren 4 und 5, auf zwei die Konstruktion stabilisierenden 5 mm und 10 mm dicken, nicht leitenden Acrylglasplatten befestigt. Für Drehkon­ densator 4 beträgt der Montageabstand zwischen den Komponenten 8 50 mm. Für Drehkondensator 5 beträgt der Montageabstand zwischen den Komponenten 9 40 mm. Die Gesamtkonstruktion der leitenden Komponenten besteht aus Aluminiumprofilen.

Alle folgenden Maßangaben nach Fig. 1-5 gelten bis Mitte der je­ weils eingesetzten Aluminiumprofile.

Der keramische Kondensator 3 hat eine Kapazität von etwa 220 pF.

Er ergänzt Drehkondensator 4 mit einer Kapazität von etwa 1000 pF.

Der Drehkondensator 5 hat eine Kapazität von etwa 790 pF. Beide Drehkondensatoren stammen als Surplusware aus alten Radiogeräten. Sie haben einen Plattenabstand von weniger als 0,5 mm.

Wie aus Fig. 1 ersichtlich, ist die genannte Breitbandantenne - Teil 1 - ohne jede Verbindung zu einem einspeisenden Koaxialkabel und damit ohne jede galvanische Verbindung zum Transceiver.

Fig. 2

Von einer beispielhaften Ausführung zeigt Fig. 2 eine Draufsicht des Teiles 2 der genannten Breitbandantenne. Gegenüber - Fig. 1 - ist zur Aufnahme des einspeisenden Koaxialkabels vom Transceiver eine auf einem nicht leitenden Winkel montierte BNC-Buchse vor­ handen. Die Gesamtkonstruktion der leitenden Komponenten des in­ duktiv einspeisenden Teiles 2 der Breitbandantenne besteht aus Aluminiumprofilen.

Alle folgenden Maßangaben gelten - wie bei der Beschreibung von Fig. 1 - bis Mitte der jeweils eingesetzten Aluminiumprofile.

Die BNC-Einbaubuchse 12 wurde mittig auf einem nicht leitenden 3 mm dicken Winkelprofil montiert. Zwei keramische je 42 mm lange Abstandshalter tragen den an den U-Profilen 17 aufgeschraubten, induktiv einspeisenden Teil 2 der Breitbandantenne. 10 und 11 sind keramische Kondensatoren mit je 5 KV Durchschlagsfestigkeit. Der Kondensator 10 hat eine Kapazität von etwa 10 pF, der Kondensator 11 von etwa 220 pF, Der Zwischenraum im Element 13 für die Montage des keramischen Kondensators 10 beträgt 40 mm, der Zwischenraum für die Montage des keramischen Kondensators 11 zwischen den Komponenten 17 beträgt 30 mm.

Fig. 3

Das nicht leitende Winkelprofil mit der in dessen Mitte montierten BNC-Einbaubuchse zeigt Fig. 3. An dem nicht leitenden Winkelprofil wird auf keramischen Abstandshaltern - Teil 2 der Breitbandantenne - gemäß Fig. 2 - montiert und auf der unter Fig. 1 erwähnten 5 mm dicken, nicht leitenden Acrylglasplatte festgeschraubt. Der Ab­ stand des Teiles 2 der Breitbandantenne zur zwischen den Kompo­ nenten 8 und dem Element 1 - Fig. 1 - montierten Acrylglasplatte beträgt 50 mm.

Fig. 4 und Fig. 5

Die unter Fig. 3 beschriebene Montage des Teils 2 auf Teil 1 komplettiert die erfindungsgemäß induktiv eingespeiste, magne­ tisch wirksame Breitbandantenne.

Über die Wirkungsweise der induktiv eingespeisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art sind noch folgende Feststellungen zu erläutern:
Soll von einer gemäß DE 40 05 982 C2 aufgebauten, magnetisch wirksamen Antenne in eine ebenso aufgebaute, z. B. größere Version. z. B. im Bereich 14 MHz, HF-Energie ein- bzw. ausgekoppelt werden, gelingt dies nur, wenn eine induktive Einkopplung innerhalb der beiden magnetischen Loops erfolgt. Bei der beispielhaften Aus­ führung koppelt Teil 2 der induktiv eingespeisten Breitbandantenne - Fig. 2 - in den zwischen den Komponenten 8 und Element 1 mit Drehkondensator 4 gebildeten magnetischen Loop von Teil 1 - Fig. 1 - ein. Diese wichtige Erkenntnis sollte gegengeprüft werden. Mit einer seit Jahren bewährten 2,60 m Antennenversion einer nach DE 40 05 982 C2 horizontal aufgebauten "Koaxial eingespeisten Breit­ bandantennenanordnung" wurde sie z. B. im 14 MHz-Bereich eindrucks­ voll bestätigt. Die 2,60 m Antennenversion war bei dem Kontroll­ versuch vom einspeisenden Koaxialkabel abgekoppelt. Sie hatte daher mit dem für den Versuch benutzten HF-Transceiver IC 735 keinerlei Kontakt mehr. Als induktiv einspeisender Teil 2 konnte die unter Fig. 2 beispielhaft beschriebene 360 mm-Antennenaus­ führung ohne jede Änderung benutzt werden. Eine induktive Einspei­ sung z. B. vor dem zwischen den Komponenten 8 und Element 1 wirk­ samen magnetischen Loop war nicht möglich.

In einem dritten Versuch sollte die vermutete Allgemeingültigkeit der unter Fig. 1 bis Fig. 5 näher beschriebenen induktiv eingespeis­ ten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art und die damit gewonnenen Erkenntnisse überprüft werden. Sie wurden bestätigt. Für diesen Versuch stand eine - entsprechend DE 40 05 982 C2 aufgebaute, erprobte 200 mm magnetisch wirksame An­ tennenversion für den Bereich 144 MHz (2 m-Band) zur Verfügung. Als induktiv einspeisende, magnetisch wirksame Antenne wurde eine gemäß DE 40 05 982 C2 für den Bereich 430 MHz entwickelte Anten­ nenversion mit den Maßen 50×24 mm eingesetzt, die im Aufbau - Fig. 2 - entspricht. Bei allen drei Versuchsreihen konnten über das Resonanzverhalten einer induktiv eingespeisten, magnetisch wirk­ samen Breitbandantenne bemerkenswerte Feststellungen getroffen werden. Im Normalfall ist eine optimale Abstrahlung der HF-Energie von einer Antenne oder eine optimale Verwertung der in eine Antenne bei Empfang einfallenden HF-Energie - bezogen auf eine bestimmte Frequenz - nur im Resonanzfall möglich. Bemerkenswert ist daher folgender erstaunlicher Vorgang:
Bei den mit der beispielhaften Ausführung einer induktiv einge­ speisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art durchgeführten Versuchen - Fig. 1-5 - ergab sich folgendes Phänomen: Teil 2 - Fig. 2 - der Breitbandantenne als der jeweils z. B. im Bereich 14 MHz induktiv einspeisende Teil (36 cm- Antennenversion) war nicht auf eine Frequenz im Bereich 14 MHz abgestimmt. Der Einbau hochbelastbarer, keramischer Kondensatoren 10 und 11 - Fig. 2 - ließ dies auch nicht zu. Auch bei den Kon­ trollversuchen mit einer 2,60 m-Antennenversion wurde Teil 2 - Fig. 2 - als induktiv einspeisende 360 mm-Antennenversion unver­ ändert verwendet. Ebenso verlief der Kontrollversuch mit einer 200 mm magnetisch wirksamen Antennenversion im Bereich 144 MHz. Die als induktiv einspeisende, für den Bereich 430 MHz verwendete Antennenversion (50×24 mm) war mit Hilfe zweier Trimmer (je 2-9 pF) für eine optimale Abstrahlung im 430 MHz-Bereich justiert worden.

Nach herkömmlichem HF-Verständnis waren in beiden Fällen - sowohl bei den Versuchen im Bereich 14 MHz als auch im Bereich 144 MHz - die jeweils induktiv einspeisenden Antennen extrem fehlangepaßt. Daß sich dennoch die ein- oder auszukoppelnde Hochfrequenz nach der jeweiligen SWR-Anzeige offenbar optimal auf die hier jeweils größere Antennenversion überträgt - oder umgekehrt - ist daher höchst erstaunlich.

Voraussetzung für eine induktive Einspeisung ist, daß die jeweils entsprechend DE 40 05 982 C2 aufgebaute und damit magnetisch wirk­ same Breitbandantenne keinen Anschluß für ein Koaxialkabel und damit keine Verbindung zum HF-Transceiver hat. Dies bestätigte sich bei jedem der drei beschriebenen Versuche.

Resonanz, abzulesen am SWR-Meßinstrument ist dennoch sehr präzise einstellbar bei der beispielhaften Ausführung einer induktiv eingespeisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne mit Hilfe der Drehkondensatoren 4 und 5 - Fig. 1. Bei Empfang von z. B. 14 MHz-Signalen ist im Resonanzfall eine deutliche Anhebung des Signals zu hören. Beim Senden verarbeitet die Antenne - Fig. 1-5 - trotz des geringen Plattenabstandes der Drehkondensatoren 4 und 5 ohne Probleme einen HF-Output von 100 W.

Zu den verblüffendsten Erkenntnissen der Versuchsreihen gehört, daß Resonanz jeweils nur durch Anpassung der eingespeisten An­ tenne erzielt werden kann. Und das, obwohl diese, wie beschrieben, zum Transceiver keinerlei Kontakt hat, mit anderen Worten, "in der Luft hängt".

Eine vorteilhafte Position einer induktiv eingespeisten, magne­ tisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art ergibt sich in vertikal-horizontaler Position, d. h. Element 2 ist hängend unter Element 1 positioniert - Fig. 1. Dabei muß die Breitband­ antenne natürlich um eine vertikale Achse drehbar sein. Ein deut­ liches "Ausblenden" bei Empfang einfallender Signale, gleichbedeu­ tend mit ausgeprägter Richtwirkung, ist dann möglich.

Bei den mit einer erprobten 200 mm-Antennenversion im Bereich 144 MHz durchgeführten Kontrollversuchen ließ sich meßtechnisch auch eine beträchtliche Erhöhung des Gewinns durch induktive Ein­ speisung nachweisen. Im Vergleich zu einer direkt auf die BNC-Antennenbuchse des für die Versuche eingesetzten Handy-Trans­ ceivers der Firma ICOM, IC 02 E, aufgesetzten 200 mm-Antennen-ver­ sion nach DE 40 04 982 C2, sank der Stromverbrauch bei induktiver Einspeisung um 100 MA von 420 MA auf 320 MA. Der HF-Output dagegen erhöhte sich um 50% bis 100%. Die Schwankungsbreite erklärt sich aus der bei den Versuchen noch unterschiedlichen Position der bei induktiver Einspeisung benutzten 430 MHz-Antenne (50×24 mm). Die Schwankungsbreite macht beispielhaft auch deutlich, daß es inner­ halb des für die induktive Einspeisung benutzten magnetischen Loops bei der 200 mm-Antennenversion eine optimale Einkoppelpo­ sition gibt.

Durch die Wirkungsweise einer induktiv eingespeisten, magnetisch wirksamen Breitbandantenne der eingangs genannten Art lassen sich möglicherweise vorteilhaft Anwendungsbereiche wie Antennen für Satellitenempfang, Richtfunkstrecken oder Radioempfang erschließen.

Ferner könnten solche Antennen weniger aufwendig als z. B. YAGI-Antennen gefertigt und, wegen der magnetischen Wirkungsweise, auch für Unter-Dach-Montage benutzt werden.

Claims (6)

1. Induktiv eingespeiste, magnetisch wirksame Breitbandantenne, bestehend aus einer nicht leitenden, horizontalen Ebene, einer nicht leitenden, vertikalen Ebene und darauf aus leitenden Rohren oder Profilen angeordneten Rechtecken, in deren einer länglichen Seite im wesentlichen Drehkondensatoren oder keramische Konden­ satoren angeordnet sind und die äußeren Rechtecke durch je ein längliches Strahlerelement begrenzt werden, dadurch gekenn­ zeichnet, daß

• - ein erster steil der induktiv eingespeisten Breitbandantenne aus leitenden Rohren und leitenden Profilen (1), (2), (6), (7), (8) und (9) besteht, wobei in der Mitte der leitenden Komponenten (8) und (9) Drehkondensatoren und in der Mitte des länglichen, leitenden Profils (1) ein keramischer Kondensator angeordnet, und alle leitenden Komponenten galvanisch mitein­ ander verbunden sind,
• - ein zweiter Teil der induktiv eingespeisten Breitbandantenne aus kürzeren, leitenden Rohren und Profilen (13), (14), (15), (16), (17) geformt, und alle leitenden Komponenten galvanisch miteinander verbunden sind, und je ein keramischer Kondensator in der Mitte der Komponenten (17) und in der Mitte des länglichen, leitenden Rohres (13) angeordnet sind, sowie einer auf einem nicht leitenden Winkelprofil montierten HF-Eingangs­ buchse (12), deren Seele mit einer Seite der leitenden Kompo­ nente (17) galvanisch Verbindung hat und deren Masse, durch den keramischen Kondensator (11) voneinander getrennt, mit der anderen Seite der leitenden Komponente (17) galvanisch verbunden ist,
• - und daß der zweite Teil der induktiv eingespeisten Breit­ bandantenne im Bereich des Rechtecks von Teil eins, das im wesentlichen von den leitenden Komponenten (1), (6), (7) und (8) geformt ist, als induktiv einspeisendes Koppelelement auf einer nicht leitenden Ebene befestigt ist.

2. Breitbandantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß deren leitende Strukturen auf nichtleitenden Trägern metallisch aufgebracht sind.

3. Breitbaridantenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2. dadurch gekennzeichnet, daß deren leitende Strukturen aus metallisch kaschierten, nichtleitenden Trägern herausgearbeitet sind.

4. Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1, 2 oder 3, dadurch gekennzeichnet, daß deren leitende Strukturen auf einem nicht leitenden Träger doppelseitig aufgebracht sind.

5. Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1, 2, 3 oder 4, dadurch gekennzeichnet, daß deren leitende Strukturen aus einem nichtleitenden, doppelseitig metallisch kaschierten Träger herausgearbeitet sind.

6. Breitbandantenne nach einem der Ansprüche 1, 2, 3, 4 oder 5 dadurch gekennzeichnet, daß durch entsprechende Dimensionie­ rung der Abstände leitender Strukturen Kondensatoren definierter Kapazität in die leitenden Strukturen integriert werden.