DE2010835C3 - Elektrisch kurze resonanz fähige Antenne mit mehreren Flachspulen - Google Patents

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine elektrisch kurze rescnanzfähige Antenne, bestehend aus mehreren, auf einem ebenen dielektrischen Trägermaterial angebrachten Flachspulen, die zwischen einer Dachkapazität und dem einen Anschlußpunkt dar Speisestelle angeordnet sind, wobei der andere Anschlußpunkt der Speisestelle mit einer leitenden Platte verbunden ist.

Eine solche Anordnung ist beispielsweise durch die in der Nachrichtentechnischen Zeitschrift, H. 7, Juli 1969, insbesondere S. 384, Bild 7, dargestellte Antenne bekanntgeworden. Dort handelt es sich jedoch um eine aktive Bandfilterantenne, da die bei elektrisch kurzen Antennen am Fußpunkt erforderliche Anpassungsschaltung in die Antennenstruktur hineinintegriert ist, vgl. S. 384, 385, Abschnitt 4. Die transformierenden Blindelemente können dadurch infolge der größeren geometrischen Abmessungen wesentlich verlustärmer gestaltet werden als bei einer geometrisch kleinen Anpassungsschaltung im Antennenfußpunkt. Die im wesentlichen aus zwei Spulen und einer Dachkapazität bestehende Antenne ist ein gedruckter Dipol, bei dem der Strahlungswiderstand nach dem Prinzip eines kapazitiv gekoppelten Zweikreisbandfilters im vorgegebenen Frequenzbereich in eine Schleife um einen gewünschten Impedan/wert transformiert wird. Der Primärkreis besteht aus der oberen Spule und der Dachkapazität. Über einen in das Antennenleitersystem eingefügten, gedruckten Koppelkondensator ist der zweite Kreis, bestehend aus der unteren Spule und einem weiteren Kondensator angekoppelt, für jede Spule ist ein Leitungszug vorgesehen.

Auf Grund der Anordnung und Zusammenschaltung der Spulen besteht keine induktive Kopplung zwischen den beiden Filterkreisen. Dies ist auch aus dem Ersatzschaltbild ersichtlich. Die Magnetfelder der beiden Filterspulen verstärken sich somit nicht.

Für die Übertragung von Information zwischen nichtslationären Funkstellen mit Mehrkanalsende- und Empfangsbetrieb, z. B. in der Funkfernmeßtechnik, sind Antennen mit geringen Abmessungen erforderlich, die möglichst in keiner Raumrichtung eine Nullstelle im Strahlungsdiagramm aufweisen sollten. Soll beispielsweise in der .Sportmedizin die Herztätigkeit, die Atemoder die Pulsfrequenz eines Sportlers während eines sportlichen Wettbewerbs oder beim Training aufgezeichnet werden, so muß eine Informationsübertragung bei allen möglichen Körperhaltungen und -bewegungen möglich sein.

Bekanntlich besitzen Stab- und Dipolantennen nur in ίο der Ebene senkrecht zur Stabachse ein Rundstrahldiagramm. In jeder die Stabachse enthaltenden Ebene ist das Strahlungsdiagramm einer solchen Antenne dagegen achterförmig. Wird eine Stabantenne zur Informationsübertragung in der Sportmedizin verwendet und zu diesem Zweck in bekannter Weise senkrecht, z. B. auf der Kopfbedeckung eines Sportlers oder parallel zu seiner Körperachse am Körper angeordnet, so ergibt sich bei senkrechter Körperhaltung des Sportlers ein Rundstrahldiagramm in der Horizontalebene. Eine in dieser Ebene angeordnete Empfangsantenne mit entsprechender Polarisation liegt auch bei einer Drehung des Sportlers um seine eigene Achse immer im Bereich optimaler Feldstärke der Sendeantenne. Neigt dagegen der Sportler den Kopf oder beugt er seinen Oberkörper nach vorne, oder iiegt er gar flach auf dem Boden, so weist eine Sendeantenne mit der Strahlungscharakteristik eines Stabes oder Dipols zwei Nullstellen in der Horizontalebene auf. Falls nun eine dieser Nullstellen in die Richtung zur Empfangsantenne zeigt, ist keine Informationsübertragung mehr möglich.

Wird dagegen eine auch als magnetischer Dipol bezeichnete Rahmenantenne verwendet, die in der Rahmenebene ein Rundstrahldiagramm und in einer hierzu senkrechten Ebene ein achterförmiges Strahlungsdiagramm aufweist, so sind im Gebrauch ebenfalls Nullstellen vorhanden. Auch derartige Antennen sind daher dtn in der Fernmeßtechnik gestellten Anforderungen nicht gewachsen.
Ferner ist bekannt, Antennen mit Rundstrahlcharakteristik dadurch zu er igen, daß entweder mehrere einzelne Dipole oder Schiuten bzw. Rahmen durch entsprechende Einspeisung zu einer gemeinsamen Antenne mit nahezu Rundstrahlcharakteristik zusammengefaßt sind; vgl. das Buch von F. E. T e r m a η , »Electronie and Radio Engineering«, McGraw Hill Book Co., Inc., New York, Toronto, London, Kogagusha Co. Ltd., Tokyo. 1955, S. 865 bis 867 und 907 bis 909.

Alle bisher benannten Antennentypen und Antennenanordnungen weisen jedoch nur Rundstrahlung in einir Ebene auf und besitzen in der dazu senkrechten Ebene in der Regel zwei Nullstellen. Sie sind daher für die eingangs aufgezeigte Verwendung in der Funkfernmeßtechnik nicht geeignet.
Es ist jedoch eine Antennenanordnung vorgeschlagen worden, deren Strahlungsdiagramm einer Kugelcharakteristik nahekommt. Bei dieser Antennenanordnung wird eine in der DT-PS 15 91 008 vorgeschlagene Rundstrahlantenne, die aus einer geraden Anzahl von Strahlern besteht, die an der Umfangslinie eines vorzugsweise zylinderförmigen Körpers so angeordnet sind, daß jeweils zwei benachbarte Strahler bei linearer Polarisation zueinander senkrecht und bei elliptischer Polarisation mit entgegengesetztem Drehsinn polarisiert sind, ergänzt durch mindestens zwei weitere Einzclstrahler, die jeweils auf der Mittelsenkrechten der durch die an der Mantelfläche angeordneten Einzelstrahler gegebenen Ebene an der Außenfläche des Körpers angeordnet und gegenüber den ihnen jeweils be-

nachbarten Einzelstrahlern senkrecht polarisiert sind; vgl. DT-OS 19 27 146. Der Nachteil dieser Antennenanordnung mit annähernder Kugelstrahlung besteht darin, daß eine Vielzahl von Strahlern in einer vorgeschriebenen räumlichen Anordnung erforderlich ist. Während bei Luft- und Raumfahrzeugen eine derartige räumliche Anordnung darstellbar ist, kann ihre Darstellung am Körper eines Menschen oder Versuchstieres nicht oder nur schlecht erfolgen, da beispielsweise ein Leistungs sportler zu sehr in seiner Bewegungsfreiheit eingeengt to würde. Auch ein Versuchstier würde gegen eine große Anzahl von Fremdkörpern Abwehrreaktionen zeigen und die Einzelstrahler möglicherweise beschädigen.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine neue Antenne mit annähernder Kugelcharakteristik zu schaffen, die sich nicht nur durch einen besonders einfachen Aufbau, son dern darüber hinaus durch eine möglichst große Bandbreite und freizügige Festlegung der Betriebsfrequen zen gegenüber den bisher bekannten Antennen unterscheidet.

Ausgehend von einer Antenne der eingangs genannten Art ist diese Aufgabe gemäß der Erfindung dadurch gelöst, daß zur Erzielung einer zumindest angenäherten Kugelcharakteristik alle Flachspulen den gleichen Wicklungssinn aufweisen.

Die Felder der auf einem flexiblen Trägermaterial angeordneten Flachspulen verstärken sich gegenseitig. Da ferner die zwischen der Dachkapazität und der leitenden Platte angeordneten Flachspulen als Stabantennen wirken, werden in einer einzigen, einheitlichen Antennenkonstruktion gleichzeitig zwei sich strahlungsmäßig dual zueinander verhaltende Antennentypen gebildet. Dabei werden unter sich strahlungsmäßig dual zueinander verhaltenden Antennentypen analog zu den sich dual zueinander verhaltenden elektrischen Bauelementen Antennentypen verstanden, die bei einer Vertauschung des elektrischen mit dem magnetischen Feld jeweils einander gleiche Eigenschaften zeigen.

Die nebeneinander angeordneten Flachspulen wirken zusammen mit der Dachkapazität und der leitenden Platte einmal als Stabantenne mit einem annähernd idealen Rundstrahldiagramm in der Horizontalebene und außerdem infolge der sich in ihren Feldern verstärkenden Flachspulen als Rahmenantenne mit einem in der Vertikalebene annähernd idealen Rundstrahldiagramm. Durch Überlagerung dieser beiden Strahlungsdiagramme ergibt sich nun unter Berücksichtigung der Polarisation eine annähernde Kugelstrahlcharakteristik der gesamten Antennenanordnung.

Gemäß einer bevorzugten Ausfühmngsform dieser Antenne sind die Flachspulen aus einem Koaxialkabel gebildet, dessen Abschirmung mit der auf dem Trägermaterial angeordneten leitenden Platte und dessen Innenleiter mit der Dachkapazität verbunden sind.

Zusätzlich können gemäß einer weiteren Ausgestaltung der Erfindung elektrisch gut leitende relativ zum Trägermaterial verschiebbare Folienteile vorgesehen werden. Durch eine solche Lageveränderung von zusätzlichen Folienteilen kann die Antenne über einen gewissen Frequenzbereich durchgestimmt werden.

Die gemäß der Erfindung ausgebildete Antenne kann mit kleinen Abmessungen in einer sehr flachen, flexiblen Form ausgeführt werden. Infolge ihres flexiblen Aufbaus schmiegt sich die erfindungsgemäße Antenne der Körperform an und behinderl nicht bei Bewegungen. Dadurch ist sie besonders geeignet für den Einsatz bei Meßaufgaben auf dem Gebiet der Biomedizin. In einem solchen Fall kann z. B. selbst ein Hochleistungssportler die Antenne auf oder unter seinem Trikot tragen, ohne daß er von dieser merklich behindert wird. Auch im unwegsamen Gelänge ist die Antenne von Vorteil. Wegen der darüber hinaus noch erzielten ausgezeichneten Strahlungscharakteristik der Antenne ist eine Informationsübertragung auch bei verschiedenen Körperhaltungen noch möglich. Bei einer Stabantenne kann es dagegen vorkommen, daß die Nullstelle in der Stabachse in Richtung zur Empfangsstation zeigt und die Telemetrierung ausfällt. Infolge der kleinen Abmessungen und der flachen, flexiblen Form kann die Antenne auch auf der Schulter eines Menschen angeordnet werden, wo eine besonders gute Abstrahlung möglich ist Auf Grund der großen Bandbreite ist die Antenne unempfindlich gegen Beeinflussungen ihrer Impedanzkurve durch Körperbewegungen. Die gemäß der Erfindung ausgebildete Antenne ist selbstverständlich je doch nicht auf diese Anwendungen beschränkt, sondern kann überall dort verwendet werden, wo eine breitbandige, abstimmbare Antenne kleiner und extrem flacher Abmessungen mit annähernder Kugelstrahlung benötigt wird, wie es z. B. bei portablen Funksprechgeräten der Fall ist. Die häufigsten Anwendungsgebiete sind: Sportmedizin, Patientenüberwachung, Wehrmedizin, Verkehrsmedizin, Arbeitsphysiologie und postoperative Überwachung.

Die Erfindung wird an Hand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert. Im einzelnen zeigt

F i g. 1 eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels einer gemäß der Erfindung ausgebildeten Antenne mit zwei Flachspulen,

F i g. 2 das vereinfachte Parallelersatzschaltbild einer solchen Antenne mit beliebig vielen Flachspulen und

F i g. 3 ein Seriensatzschaltbild einer Antenne mit zwei Flachspulen.

Die in F i g. 1 dargestellte Antenne besteht aus einer z. B. aus einem Isolierstoff gebildeten Unterlage 1, auf der zwei Flachspulen 2 und 3 nebeneinander angeordnet sind. Die Flachspulen sind bei dem gezeigten Ausführungsbeispiel aus einem herkömmlichen Koaxialkabel 4 gebildet, wobei beide Flachspulen in einem einzigen nacheinander durchgeführten Wickelprozeß aus dem gleichen Koaxialkabelstück hergestellt sind. Die beiden Endseiten der durch die beiden nebeneinander liegenden Flachspulen 2 und 3 gebildeten Ebene sind mit zwei Kupferfolien 5 und 6 abgeschlossen, wobei von der K.upferfolie 5 die leitende Platte und von der Kupferfolie 6 die Dachkapazität gebildet wird. Die die Dachkapazität bildende Kupferfolie weist dabei die Form eines flachen U auf, wobei die Schenkel des U die obere Flachspule 3 teilweise umfassen. Die untere Kupferfolie 5 weist zwei weitere kleine Kupferstücke 51 und 52 auf, die die untere Flachspule 2 teilweise umfassen und durch beliebige Verschiebung in einer später näher beschriebenen Weise zu einer Abstimmung der Antenne dienen. Das Koaxialkabel 4 ist so an der Kupferfolie 5 vorbeigeführt, daß diese mit der Bezugspotential führenden Abschirmung des Koaxialkabels verlötet ist Nach Bildung der beiden Flachspulen 2 und 3 durch das Koaxialkabel 4 ist deren oberes Stück mit seinem das Signal führenden Innenleiter mit der oberen Kupferfolie 6 leitend verbunden.

Wie sich aus dem in F i g. 2 gezeigten Krsatzschaltbild für die Impedanz der in F i g. 1 gezeigten Antenne ergibt, wird das der Antenne zugeführte Signal über die Dachkapazität Co eingespeist und gelangt dann auf mehrere Parallelschwingkreise L\, Ci; Lh Ci... Ln, Cn

aus je einer Induktivität und einem Kondensator, die jweils durch eine Flachspule gebildet sind.

Die Antenne kann dabei im Gegensatz zu der in F i g. 1 gezeigten Ausführungsform aus beliebig vielen Flachspulen und damit Parallelschwingkreisen bestehen, wie dieses in F i g. 2 gestrichelt dargestellt ist. Je mehr Flachspulen für eine einzige Antenne verwendet werden, um so mehr Resonanzfrequenzen weist diese Antenne gleichzeitig auf, so daß theoretisch bei gleicher Antennenhöhe eine beliebige Antennenbandbreite erreicht werden kann.

Die Abstimmung der Antenne sowohl hinsichtlich ihrer Bandbreite als auch hinsichtlich der Lage ihrer Resonanzfrequenzen geschieht, wie an Hand der F i g. 2 einfach einzusehen ist, durch Dimensionierung der Flachspulen und damit durch Vorwahl ihrer jeweiligen Induktivitäten, die zusammen mit der jeweiligen Flachspulenkapazität je einen eine bestimmte Resonanzfrequenz aufweisenden Parallelschwingkreis bilden. Diese Bestimmung der Resonanzfrequenzen geschieht am einfachsten durch Umwandlung des in F i g. 2 gezeigten Ersatzschaltbildes in ein Seriensatzschaltbild mit den Induktivitäten Li' und Li', wie es z. B. in F i g. 3 für zwei Spulen dargestellt ist, an Hand dessen dann in einfacher Weise die jeweiligen Serienresonanzfrequenzen zwischen Induktivität und Kapazität festgelegt werden können.

Die Induktivitäten der Spulen werden dabei durch Wahl entsprechender Windungszahlen festgelegt. Die Kapazitäten sind durch die Lage der Windungen, der Flachspulen und schließlich der Folien gegenüber den Flachspulen festzulegen, wobei eine Feinabstimmung z. B. durch die in F i g. I gezeigten Folienstticke 51 und 52 möglich ist. Durch Einschaltung eines zusätzlichen Blindwiderstands, z. B. einer Kapazität Cz kann, wie aus F i g. 3 sofort zu entnehmen ist, die Resonanzfrequenz des einen Ersatzserienschwingkreises der des anderen

ίο weitgehend angenähert werden, wodurch eine Bandbreitenvergrößerung bei unveränderter Antennenhöhe möglich ist.

Ein großer Vorteil der gemäß der Erfindung ausgebildeten Antenne ist darin zu sehen, daß bei einer solchen Antenne mit geringen Abmessungen im Vergleich zu ihren Betriebswellenlängen unter Verzicht auf ein nachgeschaltetes, verlustbehaftetes Anpassungsnetzwerk gleichzeitig mehrere Resonanzfrequenzen in fast beliebigem Abstand ausgenutzt werden können, ohne daß sich dabei die Anpassung der Antenne merklich verschlechtert.

Die Widerstandsanpassung der Antenne selbst an einen Sender, Empfänger oder deren Zuleitung ist durch Wahl der Größe der Dachkapazität möglich, da über diese Dachkapazität, die in F i g. 1 durch die Kupferfolie 6 realisiert ist, vom Koaxialkabel 4 her das Signal in die Antenne eingespeist wird.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

Claims (3)

Patentansprüche:

1. Elektrisch kurze resonanzfähige Antenne, bestehend aus mehreren, auf einem ebenen dielektrischen Trägermaterial angebrachten Flachspubn, die zwischen einer Dachkapazität und dem einen Anschlußpunkt der Speisestelle angeordnet sind, wobei der andere Anschlußpunkt der Speisestelle mit einer leitenden Platte verbunden ist, dadurch gekennzeichnet, daß zur Erzielung einer zumindest angenäherten Kugelcharakteristik alle Flachspulen (2, 3) den gleichen WicWungssinn aufweisen.

2 Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Flachspulen (2, 3) aus einem Koaxialkabel (4) gebildet sind, dessen Abschirmung mit der auf dem Trägermaterial (1) angeordneten leitenden Platte (5) und dessen Innenleiter mit der Dachkapazität (6) verbunden sind.

3. Antenne nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß elektrisch gut leitende relativ zum Trägermaterial (1) verschiebbare Folienteile (51,52) vorgesehen sind.