DE20210083U1 - Extrem verkürzte elektrische Sende und Empfangsantennen - Google Patents

Description

Beschreibung Bezeichnung der Erfindung:

Extrem verkürzte elektrische Sende und Empfangs Antenne.

Technisches Gebiet:

Antennen für den drahtlosen Funk.

Kennzeichen:

1. Die kapazitiven kurzen Monopole

Die Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass alle hier beschriebenen kapazitiven kurzen Monopole (Fig. 1 bis Fig. 7 und Fig.11) nach gleichem Prinzip, (und im unmittelbaren Nahfeld) als elektrische Strahler funktionieren, also das Gegenstück zu den bekannten kleinen magnetischen Loop-Antennen darstellen, die im Nahbereich ein magnetisches Feld abstrahlen.

Kleine Loop-Antennen haben den Nachteil, dass sie bereits schon bei geringem Frequenzwechsel innerhalb des Bandes neu abgestimmt werden müssen. Außerdem ist ihr Strahlungswiderstand mit < 1 Ohm so gering, dass sich schon kleinste Verlustwiderstände (Rv) negativ auf den Wirkungsgrad auswirken. Letztlich werden die Hochfrequenzleistungen stark durch die Spannungsfestigkeit des Kreis-Kondensators begrenzt, so dass in der Regel nur vergleichsweise kleine Leistungen abgestrahlt werden können.

All diese Nachteile haben die kurzen Monopole nicht!

Alle dargestellten Monopol-Kurzstrahler Varianten haben das gemeinsame Merkmal, dass der Hochfrequenzstrom I (gepunktete Fläche) im Gegensatz zu den Kurzwellenantennen normaler Länge, gleichmäßig am Strahler verteilt ist. Sie kommen mit geringsten Abmessungen im Bereich von 0,01 bis 0,02 der Wellenlänge aus. Normale Strahler z.B. liegen im Bereich von 0,25 bis 1 der Wellenlänge.

Dadurch haben sie den Vorteil, insbesondere bei räumlicher Begrenzung, also dort, wo ein Ausspannen normal langer Antennen nicht möglich ist, eingesetzt werden können und eine Möglichkeit zum Funkbetrieb geben. Das können z.B. Wohnungen sein, wo sie am Balkon oder Fenster installiert werden, auf dem Campingplatz, dem Wohnmobil, dem Auto oder auf dem Schiff u.s.w.

Diese Monopol-Kurzstrahler sind weiterhin dadurch gekennzeichnet, dass sie einen hohen Strahlungswiderstand von etwa 30 Ohm haben im Gegensatz zu normalen Mobilfunkstrahlern mit weitaus geringeren Strahlungswiderständen (z.B. um 2 Ohm) und den kleinen magnetischen Loop-Antennen mit noch geringeren Werten.

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Das hat den Vorteil, dass die kurzen Monopole sich ohne externe und verlustbehaftete Anpasselemente oder Antennentunern besser an die Impedanz Z eines Koaxialkabels anpassen lassen!

Die extrem verkürzten Antennen haben weiterhin den Vorteil, dass sie aufgrund des gesplitteten Koaxialkabel Gegengewichtes (Anspruch 6) keinerlei Radiale, wie bei anderen Antennen, benötigen.

Es sind Empfangs und Sendeantennen, vorwiegend für den Kurzwellenfunk, aber auch für den VHF Bereich, die mit großen Hochfrequenz-Leistungen (bis in den kW-Bereich) betrieben werden können.

Die Rohrstrahler (Fig.1, Pos. 1) werden mit einem speziell konstruierten kapazitiv gekoppelten Abstimmelement, (Fig.1, Pos.2), einmalig fein abgestimmt, das dazu ein oder aus geschoben wird und sind dann über einen sehr großen Frequenzbereich ohne weitere Nachstimmung verwendbar. Es ist eine Besonderheit, dass dieses Abstimmelement (2), nicht galvanisch mit dem Rohr Strahler verbunden ist!

Beispiel:

Im 20m und 40m Amateurfunk Kurzwellenband kann mit den hier beschriebenen kurzen Antennen das gesamte Band ohne Nachstimmen gearbeitet werden und das VSWR (Rücklauf) wird dabei an den Bandgrenzen nicht schlechter als 1,5:1 sein!

Die Varianten, der Teleskop Strahler (Fig.2, Pos. 1.2), oder (Fig.3, Pos. 1.3), mit 2 ineinander geschobenen Rohren, können ebenfalls durch Längenänderung fein abgestimmt werden.

Die Mobilfunk-Strahler können aus den Monopolen (Fig.1 bis Fig.7) gebildet werden.

Es können auch geometrisch unterschiedlich gestaltete Flächenstrahler nach dem gleichen elektrischen Prinzip ausgeführt werden (Fig. 4, Pos.1.4 bis 1.8) Auch sind Kombinationen aus Flächen und Rohr oder -Strahlern wie z.B. (Fig.6, mit z.B. 3 bis 6-fach der Pos. 1.2 oder 1.3), oder wie (Fig.7, mit Pos. 1.1 oder 1.2), möglich.

Alle elektrisch kurzen Monopol Antennen werden gleichermaßen über eine Serieninduktivität (3), in Resonanz gebracht. Diese Induktivität (3) stellt eine frequenzabhängige Reaktanz zur Kompensation der Blindströme dar. Für den Bandwechsel werden nur diese Spulen ausgetauscht oder es werden Kombinationsspulen für mehrere Bänder eingesetzt.

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2. Die kapazitiven kurzen Dipole

Aus den vorgenannten kurzen Monopolen und deren Varianten (Rohr, Teleskop, Flächenstrahlern oder Kombinationen daraus), lassen sich nach gleichem Prinzip auch Dipole z.B. (Fig. 8, Fig.9, Fig. 10), mit den gleichen Merkmalen herstellen.

Alle Strahler können sowohl über ein Viertelwellen Koaxialkabel Abschnitt, (Pos.4) direkt angesteuert werden oder es kann die bessere Lösung mit dem gesplitteten Koaxialkabel-Gegengewicht, It. Anspruch 6, verwendet werden.

Beispiel zu den Abmessungen:

Für das 40m Amateurfunk Kurzwellen Band ist ein normaler gebräuchlicher Dipol etwa 20m lang.

Der hier beschriebene vergleichbare Kurze Monopol und Mobilfunk Antenne ist im Bereich von 0,6m Länge, die Dipolantenne im Bereich von 1,5m Länge.

Elektrisches Prinzip: Erklärung zu Fig. 14:

(1) ist der Kurzstrahler

(2) ist das Abstimmelement

(3) ist die Kompensationsspule

(4) ist der &ldquor;heiße" Koaxial Kabelabschnitt, bei Mobilfunk-Strahlern die Fahrzeugmasse.

(5) ist die Mantelstrom Sperre.

(6) ist der &ldquor;neutrale" Koaxial Kabelabschnitt

C1 ist die Teilkapazität, die keinen Anteil zur Strahlung hat (blaue Feldlinien) und eine reine Blindleistung darstellt.

C2 koppelt die Welle zum Raum als Verbraucher (rote Feldlinien) und ist die Wirkleistung.

C3 bis Cn stellen die Kopplung des Koaxial Kabels zur Masse dar.

Es wird die zeitabhängige maximale Aufladung einer kurzen Antenne nach der Zeit t=%T eines Oszillations- Zyklus dargestellt. (Fig. 12)

Die schraffierte Grundlinie (Fig. 14) markiert die natürliche Erde, die Gebäudestruktur oder die Fahrzeugmasse. Darüber befindet sich der &ldquor;heiße" Teil des Koaxial Kabels, das über die Kapazitäten C3 bis Cn zur Masse gekoppelt ist. Bei Mobilfunk-Strahlern entfällt das Koaxialkabel an dieser Stelle und die Antenne wird direkt gegen die Fahrzeugmasse erregt.

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Somit stellen die Feldlinien oberhalb der gestrichelten Linie A-B die abgestrahlte HF-Energie dar, also die gewünschte Wirkleistung, während die Linien unterhalb der gestrichelten Linie A-B die Blindleistung repräsentieren, also Feldenergie, die direkt zum Generator zurückfließt.

In der mit Punkten ausgefüllten Fläche sind die Masse-Ströme I kenntlich gemacht. Alle Feldlinien haben nach der Zeit T= % nahezu gleiche Spannung.

Das elektrische Ersatzschaltbild.

Fig. 13.1:

11 entspricht dem Teilstrom, der über C1 als Blindleistung zum Generator zurück fließt. Die gestrichelte Linie A-B stellt die Grenzfeldlinie dar. Danach ist der Teilstrom I2 mit den einzelnen Feldlinien FL1 bis FLn gezeichnet. Diese Feldlinien werden als reine Wirkleistung in den Raum abgestrahlt.

Fig. 13.2:

Vor der Grenzfeldlinie ist die induktive Blindkomponente L hinzugekommen, um den Kreis reell mit 50 Ohm zu gestalten. Nach der Linie A-B wurden alle Feldlinien FLI-FLn zusammengefasst und als C2 dargestellt. Das ist bei sehr kurzen Strahlern mit gleichmäßiger Stromverteilung möglich. C2 und Rso stellen den Raum als Verbraucher dar.

Fig. 13.3:

Zeigt nun das vereinfachte Ersatzschaltbild solcher extrem verkürzten Monopole und deren Varianten. Ca entspricht C2

Xa ist der induktive Blindwiderstand. Mit Rv werden alle Verlustwiderstände zusammengefasst. Rs ist der Fußpunktwiderstand zum Generator. Er ist mit 50 Ohm durch die Kompensation von Xa reell.
Die anderen Komponenten sind bereits oben erklärt.

Das abgeschlossenes Koaxialkabel Gegengewicht:

Eine weitere Neuerung stellt das in den Abbildungen (Fig.1 bis Fig.4 und Fig.6 bis Fig.7) eingezeichnete gesplittete, nicht mehr resonante Koaxial Speisekabel (4) dar, das als Gegengewicht mit verwendet wird und wesentlich kürzer als eine Viertelwelle ist. Am Kabelende sind reell 50 Ohm vorhanden und dieser Teil ist mit einer Mantelstromsperre (5) abgeschlossen.

Dieser Abschnitt wird als &ldquor;heißer" Teil bezeichnet. Durch seine kapazitive Kopplung zur Masse ist es an der Abstrahlung fast nicht mehr beteiligt, obwohl ein Teil der HF-Ströme über C1 und C3 bis Cn, zum Generator zurück fließt. Das liegt u. A. daran, dass das Kabel durch die kapazitive Kopplung auf Erdpotenzial liegt und sich die Wellen sich in der Masse nicht zur Abstrahlung ausbilden können.

Vorteil:

Die hochfrequenten Masseströme werden auf einer definierten Fläche außerhalb des Gebäudes gehalten.

Nach der Mantelstrom Sperre folgt ein zweiter Koaxialkabel Abschnitt, der mit &ldquor;Neutraler" Teil (Pos.6) bezeichnet ist. Dieser ebenfalls nicht resonante Abschnitt kann beliebig lang sein.

Der Vorteil diese Anordnung ist, dass sich kaum noch HF auf dem &ldquor;neutralen" Abschnitt befindet und damit auch nicht in das Haus oder die Wohnung gelangt und somit Störungen (HF-Einströmungen) weitgehend vermieden werden. Durch die relativ scharfe Resonanzkurve dieser kurzen Antennen sind auch keine störenden Oberwellen vorhanden, die zu Rundfunk oder Fernsehstörungen führen!

Es sind ferner keine anderen externen Anpasselemente für Anpassung an das 50 Ohm Koaxialkabel bzw. an die Funkstation erforderlich.

Die daran angeschlossene Funkstation kann potenzialfrei bleiben und braucht nicht geerdet zu werden.

Das ist das erste Mal, dass eine solche Anordnung geschaffen wurde, in der das Koaxial -Speisekabel bei kurzen Antennen gleichzeitig als nicht resonantes Gegengewicht verwendet wird.

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Zeichnungs Anlagen:

Folgende Zeichnungen sind der Beschreibung angefügt:

Fig.1 Kurzer Monopol-Rohrstrahler Fig.2 Kurzer Monopol-Teleskop-Strahler, Fig.3 Kurzer Monopol-Stabstrahler Fig.4 Kurzer schüsseiförmiger Flächen-Strahler Fig.5 div. andere Flächen-Strahler Fig.6 Flächenstrahler aus einzelnen kurzen Teleskopen oder Stäben Fig.7 Kombinierter Flächen/Stabstrahler oder kombinierter Flächen/Rohr-Strahler Fig.8 Kurzer Rohr-Dipol Fig.9 Kurzer Flächen-Dipol Fig. 10 Kombinierter Flächen/ Stab-Dipol Fig.11 Mobilfunk-Strahler Beispiele Fig. 12 Wellenzug

Fig. 13 Ersatzschaltbild kurzer Monopole/Dipole Fig. 14 Strahlungs-Schema kurzer Monopole/ Dipole

Claims (6)

1. Extrem verkürzte elektrische Sende und Empfangsantenne für den drahtlosen Funk, dadurch gekennzeichnet, dass sie aus einem kapazitiven, extrem verkürzten Monopol, gemäß Fig. 1 besteht, der aus einem Metall-Rohrstrahler (1), einem Metall-Abgleich Element (2), einer Kupfer-Spule (3), und einem gesplitteten Koaxialkabel Gegengewicht (4) und (6) sowie der Mantelstromsperre (5) gebildet wird. Alle Teile sind in Serie geschaltet. Bei Mobilfunk-Strahlern wird eine kapazitive Kopplung entweder über (4) oder über die Fahrzeugmasse hergestellt.

2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass modifizierte, in der Länge verschiebbare kurze Teleskop Strahler gemäß Fig. 2, und Fig. 3 verwendet werden.

3. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, dass an Stelle der Rohr oder Teleskop Strahler, Flächenstrahler in vielfältiger Ausgestaltung, gemäß Fig. 4, Fig. 5. (1.5, 1.6, 1.7, 1.8) oder Fig. 6 verwendet werden.

4. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, dass kombinierte Rohr/Teleskop und Flächen Strahler gemäß Fig. 7 verwendet werden.

5. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, dass extrem verkürzte, kapazitive Dipole aus zwei Monopolen nach dem gleichen Prinzip der Ansprüche 1 bis 4, gemäß Fig. 8 (Rohrstrahler), Fig. 9 (Flächenstrahler), oder Fig. 10, als kombinierte (Rohr/Flächen) Strahler gestaltet werden.

6. Vorrichtung nach den Ansprüchen 1 bis 5 dadurch gekennzeichnet, dass ein gesplittetes, nicht resonantes Gegengewicht, Fig. 1-4, (4) bestehend aus dem kurzen (<< &lambda;/4) Koaxialkabel Abschnitt, dass mit einer Mantelstrom Sperre, Fig. 1-4, (5) abgeschlossen wird und damit die kapazitive Kopplung zur Masse herstellt. Der zweite Koaxialkabel Abschnitt, Fig. 1-4, (6), ist elektrisch neutral.