DE2164869A1

DE2164869A1 - Physikalisch verkürzte Halbwellenantenne, insbesondere Peitschenantenne

Info

Publication number: DE2164869A1
Application number: DE19712164869
Authority: DE
Inventors: Robert Arthur Livingston N.J. Felsenheld (V.StA.)
Original assignee: International Standard Electric Corp
Current assignee: International Standard Electric Corp
Priority date: 1970-12-30
Filing date: 1971-12-27
Publication date: 1972-07-20
Also published as: FR2120146B1; AU465735B2; AU3663871A; FR2120146A1; US3689928A

Description

Dipl.-Phys. Leo Thul

7 Stuttgart 3o

Kurze Straße 8

.Ao Felsenheld --16

JSTEBSkTLOSHL STAUDAED ELECTEIG ΟΟΕΡΟΕΑΤΙΟΪΓ, MEW YOEE

Physikalisch verkürzte Halbwellenantenne, insbesondere Peitschenantenne

Die Erfindung betrifft eine physikalisch, verkürzte Halbwellenantenne, insbesondere Peitschenantenne, mit einem Hauptstab mit einem oberen und unteren Ende, wobei am oberen Ende der eine Anschluß einer ersten Wendel angeschlossen ist, deren anderer Anschluß mit einer kapazitiven Last beschwert ist.

Derartige Peitschenantennen sind bekannt und für Kraftfahrzeuge und für tragbare Geräte eingesetzt. Diese Antennen umfassen einen verhältnismäßig großen !Frequenzbereich, z.B. 3o bis 8o MHz. Eine solche Antenne wird auch, als mittengespeiste Antenne bezeichnet. Die Speiseschaltung führt die HF-Energie über eine Koaxialleitung zu, deren Innenleiter in der Mitte seiner senkrechten Länge unterbrochen ist» Es ist auch eine physikalisch, verkürzte Ausführungsform einer derartigen Antenne bekannt, bei der die Koaxial-Leitung

22.12.197*1

vo/ff :..,,.. "2p-

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vor Erreichen der Mitte schraubenförmig als Wendel gewickelt ist. Auch der Innenleiter der Koax»ial«Leitung ist über der Antennenmitte als Wendel gewickelt. Bei beiden bekannten mittengespeisten Antennen tritt das Minimrmdes Stromes an den Antennenenden auf. Außerdem ist ein Scheinwiderstandswandler vorgesehen, der als Wendel der Koaxial—Leitung auf einem Ferritkern aufgebracht ist.

Die bekannten Antennen sind auf einen Frequenzbereich von Jo bis 80 MHz ausgelegt und zwar durch Anwendung von Last« elementen für zehn Frequenzbänder in dem Frequenzbereich· Diese Lastelemente sind mit einer HF—Drossel verbunden, die vorgesehen ist, um den HF-Strom über das Fahrzeug, das die Antenne mit dem Sende-Empfangs-Gerät trägt, zu reduzieren.

Es ist Aufgabe der Erfindung, eine physikalisch verkürzte Halbwellenantenne der eingangs erwähnten Art so zu verbessern, daß sie unempfindlich auf Bodenlast ist. Dies wird nach der Erfindung dadurch erreicht, daß am unteren Ende des Hauptstabes eine zweite Wendel angeschlossen ist, dass der freie Anschluß dieser zweiten Wendel mit einem Abstimmölement verbunden ist, das die Resonanz der Antenne festlegt, und daß mit der zweiten Wendel ein Speisekreis induktiv gekoppelt ist, der Energie der Antenne zuführt und/oder aus der Antenne ableitet. Dabei ist es möglich, die kapazitive Verstimmung der Antenne dadurch sofort zu kompensieren, daß der Speisekreis der Antenne Energie zuführt und/oder aus der Antenne ableitet, wenn ein Objekt in die Wähe der Antenne kommt und die Antenne kapazitiv verstimmt, und daß die im Speisekreis auftretende reflektierte Energie über einen Abstimm-Steuerkreis zur Steuerung des Abstimmelementes und

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zur Wiedereinstellung der Resonanz ausgenutzt wird.

Weitere Einzelheiten der Erfindung können der Beschreibung von Ausführungsbeispielen und den ünteransprüclien entnommen werden.

Die Erfindung wird anhand der Zeichnungen beispielswi.se näher erläutert. Es zeigen:

Fig.1 ein schematisch.es Diagramm einer "bekannten Antenne,

Fig.2 eine physikalisch verkürzte Ausführungsform der Antenne nach Fig. 1,

Fig.3 ein schematisches Diagramm einer Antenne nach der Erfindung, die einen verhältnismäßig breiten Frequenzbereich in drei verschiedenen Frequenzbändern umfaßt,

Fig.4A und 'AB

schematisch zwei Arten der kapazitiven Bodenlast, die bei der Antenne nach Fig. 3 verwendet wird, und

Fig.5 die Strom- und Spannungsverteilung

der Antenne nach Fig. 4.

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In Fig. Λ ist in einem Diagramm eine der "bekannten, mittengespeisten Antennen dargestellt. Diese Antenne enthält eine Koaxial-Leitung 1, die mit dem Sende-Empf angs-Gerät verbunden und schraubenförmig auf einem Ferritkern 2 aufgewickelt ist, um den erforderlichen hohen Scheinwiderstandswandler zu bilden, der für die Erreichung des gewünschten Strahlungsdiagrammes notwendig ist. Eine HF-Drosselhülse ist mit dem Außenleiter der Koaxial-Leitung Λ verbunden, wobei die Hülse 3 in einem bestimmten Abstand zur Koaxial-Leitung angeordnet ist. Der Innenleiter 4- der Koax:<ial-Leitung 1 ist in der Mitte seiner senkrechten Höhe unterbrochen, wie mit 5 gekennzeichnet ist. Diese Unterbrechung 5 bildet den mittleren Speisepunkt für den oberen und den unteren Teil der Antenne. Der Minimalpunkt der Spannung und der Maximalpunkt des Stromes, liegt bei der Unterbrechung 5 des Innenleiters, während der Minimalpunkt des Stromes an den Enden der Antenne liegt.

Die Antenne nach Fig. 1 kann in einem verhältnismäßig schmalen Frequenzband in Resonanz mitschwingen im Bezug auf die Antenne nach der Erfindung und zwar durch jedes einer Anzahl von Grundlast-Elementen 6, die zwischen dem Bezugspotential (Erde) und der Hülse 3 eingeschaltet sind. Die selektive Anschaltung von zehn entsprechend ausgewählten Elementen 6 an die Hülse 3 ergibt für die Antenne einen Frequenzbereich von 3o bis 8o MHz in zehn Frequenzbändern.

Fig. 2 zeigt die Antenne nach Fig. 1 in physikalisch verkürzter Ausführung. Die Koaxial-Leitung 1 ist schraubenförmig auf den Ferritkern 2 gewickelt, um die nötige

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Sclieinwiderstandsanpas sung zu erreichen. Die HF-Drosselhülse 3 ist wieder mit dem Außenleiter der Koaxial-Leitung verbunden, wie schon in Fig. 1 im wesentlichen gezeigt worden ist. Die Ko axial-Leitung 1 ist dann in einer engen Schraube 7 angeordnet und erstreckt sich zur Mitte der senkrechten Höhe der Antenne. Der Innenleiter der Koaxial-Leitung 1 wird entsprechend schraubenförmig in einem Teil 8 weitergeführt, an das eine kapazitive Last 9 angeschaltet ist.

In Fig. 3 ist die Antenne nach der Erfindung dargestellt. Diese Antenne weist einen Hauptstabio auf, an dessen einem Ende eine Wendel 11 und eine kapazitive Last in der Form von einem oder mehreren leitenden Elementen 12, wie Drähte oder Stäbe, angeschaltet sind. Das andere Ende des Hauptstabes ist mit einer der Wendeln 13_} 14· und 15 über das Schaltmittel 1o' verbunden. Die Wendel 13 ist mit einem veränderlichen Kondensator 16 gekoppelt, der z.B. als physikalischer Kondensator, als Varaktor oder als PIN-Diode ausgebildet sein kann. Dieser Kondensator ist mit dem anderen Anschluß mit einer Bodenlast verbunden, die ineiner Form das Bezugspotential 16a sein kann. Andere Formen der Bodenlast sind in den Fig. 4-A und i'4-B gezeigt. In Fig. 4A ^bildet eine kleine Grundplatte 16b die Bodenlast, die in. einem Abstand von dem unteren Anschluß des Kondensators 16 angeordnet ist. In Fig. 4-B wird der untere Anschluß des Kondensators 16 durch ein leitendes Element 16 C, z.B. einen Draht oder Stab, belastet. Die zweite Wendel 14· ist mit einem Ende mit einem Anschluß des ver and ergehen Kondensators 17

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verbunden, der in gleicher Weise wie der Kondensator 16 ausgelegt sein kann. Der andere Anschluß des Kondensators 17 ist mit einer kapazitiven Bodenlast verbunden, wie mit 17a nach Fig. 3, 17b nach Fig. 4A und 17c nach Fig. 4-B angedeutet ist. Die dritte Wendel 15 ist mit einem Ende mit einem Anschluß des veränderlichen Kondensators 18 verbunden. Der andere Anschluß des Kondensators 18 ist mit einer kapazitiven Bodenlast verbunden, wie mit 18a nach Fig. 3, 18b nach Fig. 4-A und 18 c nach Fig. 4-B angedeutet ist. Der Kondensator 18 kann in der gleichen Weise ausgelegt sein, wie die Kondensatoren 16 und 17-

Die Kondensatoren 16, 17 und 18 dienen dazu, daß die Antenne in einem bestimmten Frequenzband zum Schwingen kommt. Bei einem Ausführungsbeispiel wird durch den Kondensator 16 das Antennensystem in einem Frequenzband von 51 bis 6o MHz, durch den Kondensator 18 in einem Frequenzband von 6o bis 8o MHz und durch den Kondensator in einem Frequenzband von 3o bis 51 MHz erregt, wobei die Kondensatoren entsprechend verändert werden.

Bei einem Antennensystem kann die Antenne durch die HF-Energie des Sende-Empfangs-Gerätes erregt werden oder es kann der Antenne HF-Energie entzogen werden, die dann dem Sende-Empfangs-Gerät zugeführt wird.Dazu istein Parallelresonanzkrexs vorgesehen, der eine Spule 19 und einen veränderlichen Kondensator 2o enthält. Die Spule 19 die Wendel 13 und die Kondensatoren 16 und 2o bilden einen doppelt abgestimmten Kreis, der sowohl die ResctHnz- als auch die Scheinwiderstandsabstimmung über das Frequenzband von 5*1 bis 6o MHz ausführt. Eine ähnliche Anordnung

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ist für die Wendel 15 vorgesehen, wobei die Spule 21 und der veränderliche Kondensator 22 den Parallelresonanzkreis bilden. Der dadurch gebildete doppelt abgestimmte Kreis dient zur Resonanz- und Scheinwiderstandsabstimmung im Frequenzband von 60 bis 80 MHz.

Die Energie wird der Wendel 14 über eine Wickelung 23 zugeführt bzw. entzogen, die mit einem Ende geerdet und mit dem anderen Ende mit dem Anschluß 24 des Schalters 25 verbunden ist, der mit dem Schalter 10' so gekoppelt ist, daß die einander zugeordneten Elemente eines Frequenzbandes angeschaltet werden.

Ein entsprechend gewählter Abgriff 26 an der Spule 19 ist mit dem Innenleiter der Koaxial-Leitung 27 und darüber mit dem Schalter 25 verbunden. In ähnlicher Weise ist der Innenleiter der Koaxial-Leitung 28 mit dem Scheinwiderstands- Abgriff 29 der Spule 21 verbunden. Die Abgriffe 26 und 29 werden so gewählt, daß eine Anpassung an den Scheinwiderstand der zugeordneten Koaxial-Leitung vorgenommen wird, der z. B. 50 Ohm betragen kann.

Die beschriebene, doppelt abgestimmte Anordnung läßt eine Scheinwiderstands- und Resonanzabstimmung einer Antenne über ein verhältnismäßig großes Frequenzband zu. Dieses Frequenzband ist größer als bei den beschriebenen Antennen und der Antenne nach der Erfindung mit einem abgestimmten Kreis. Jedoch auch die Antenne nach der Erfindung mit nur einem abgestimmten Kreis weist ein größeres Frequenzband auf als die bekannten Antennen, in dem eine Scheinwiderstandsund Resonanzabstimmung vorgenommen werden kann.

Wie der Fig. 5 zu entnehmen ist, erreicht die Spannung E jeweils an den Enden der Antenne nach Fig. 4 das Maximum, während der Strom in der Antennenmitte das Maximum und an den Antennenenden das Minimum erreicht. Es wird dalier das

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der HF-Strom, der über die Oberfläche eines Kraftfahrzeuges .oder im Körper eines Menschen fließt, eliminiert oder zumindest stark reduziert, wenn das Sende-Empfangs-Gerät am Kraftfahrzeug angebracht oder von einem Menschen getragen wird. Daher macht die Sp ei se schaltung nach Fig. 4- die Antenne bodenunempfindlich, so daß Änderungen in der Bodenbeschaffenheit oder in der Dielektrizitätskonstantendes menschlichen Körpers keine Einwirkung mehr auf das gewünschte Strahlungsdiagramm haben.

So wie es bei allen mobilen und tragbaren Antennen üblich ist, verursacht ein Objekt 30, z. B. ein Gebäude, ein Baum, ein Berg, eine Brücke oder eine Unterführung, das in die Nähe der Antenne kommt, eine Vergrößerung der Kapazität im Antennensystem, was eine Verstimmung oder eine .änderung der Resonanz der Antenne bewirkt. Dies ist unerwünscht, da durch die Annäherung des Objektes das Strahlungsdiagramm der Antenne verändert wird. Die Koaxial-Leitung 3*1, die vom Schalter 25 ausgeht wird so mit einem Richtungskoppler 32 gekoppelt, daß bei einer Änderung der Resonanz der Antenne durch ein Objekt 30 auf der Koaxial-Leitung 3*1 eine reflektierte stehende Welle erzeugt wird, die über den Koppler 32 dem Verstärker 33 zugeführt wird. Das Kapazitätssteuerteil 34- spricht auf die Größe der reflektierten Leistung an, die durch die reflektierte stehende Welle auf der Koaxial-Leitung 31 bedingt ist, und erzeugt eine Steuerspannung um die Kapazität des Kondensators 16, Ί7 oder 18 zu vergrößern, der gerade im Betrieb ist. Dadurch wird das Antennensystem wieder in Resonanz gebracht und der Resonanzänderungseffekt des Objektes 30 kompensiert. Die Einrichtung 34- kann rein mechanisch auf-• gebaut sein, um die Kapazität des Kondensators zu verändern. Sie kann jedoch auch elektromechanisch oder vollkommen elektrisch arbeiten, wobei an die Steuerung der Kapazität eines Varaktors oder einer PIN-Diode gedacht ist.

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Der Schalter 35 wird mit den Schaltern 10' und 25 so gesteuert, daß" das Steuersignal nur einem der Kondensatoren 16, 17 oder 18 zugeführt wird, und zwar dem, der über die Schalter 10' und 25 ausgewählt ist. Eine größere Zuverlässigkeit wird jedoch erreicht, wenn das Steuersignal der Einrichtung 34- allen Kondensatoren 16, 17 und 18 gleichzeitig zugeführt wird. Die Resonanz der,Antenne wird nur durch den Kondensator 16", 17 oder 18 bestimmt, der über die Schalter 10' und 25 mit der Antenne gekoppelt ist.

Das Antennensystem nach Jig. 4- ist in der Praxis auf drei Formen beschränkt, eine Fünf-Fuß-Antenne für Fahrzeuge, eine Vier-Fuß-Antenne und eine Ein-Fuß -Antenne für tragbare Geräte.

Das Antennensystem nach der Erfindung läßt die Erreichung einer basisgekoppelten Antenne mit hohem Scheinwiderstand zu, wenn die Scheinwiderstandswandler der bekannten Antennen nach Fig. 1 oder 2, der durch die schraubenförmige Umwicklung des Ferritkernes 2 mit der Koaxial-Leitung 1 gebildet ist, durch einen doppelt oder einfach abgestimmten Kreis nach der Erfindung ersetzt wird.

Das Antennensystem nach der Erfindung umfaßt einen größeren Frequenzbereich als die bekannten Antennen mit weniger geschalteten Elementen. Ein größerer Frequenzbereich kann von der Antenne nach der Erfindung mit der gleichen Anzahl von geschalteten Elementen bei bekannt eil Antennen erreicht werden.

Das Antennensystem nach Fig. 3 darf nicht als einzige Möglichkeit zur schrittweisen Erfassung eines gegebenen Frequenzbereiches mit einer Anzahl benachbarter Frequenzbänder betrachtet werden. Der gegebene Frequenzbereich kann durch eine

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Vielzahl von "benachbarten Frequenzbändern erfaßt werden, wobei die Anzahl der Frequenzbänder kleiner oder größer als drei sein kann. Die Energie-Koppelkreise können dabei alle doppelt oder einfach abgestimmt sein. Es kann jedoch auch jede mögliche Kombination von doppelt oder einfach abgestimmten Koppelkreisen verwendet werden.

16 Patentansprüche
2 Bl. Zeichnungen

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Claims

Pat ent ansp rüche

ί Λ.) Physikalisch, verkürzte Halbwellenantenne, insbesondere Peitschenantenne, mit einem Hauptstab mit einem oberen und unteren Ende, wobei am oberen Ende der eine Anschluß einer ersten Wendel angeschlossen ist, deren anderer Anschluß mit einer kapazitiven Last beschwert ist, dadurch gekennzeichnet, daß am unteren Ende des Hauptstabes (10) eine zweite Wendel (13, 14, 15) angeschlossen ist, dassder freie Anschluß dieser zweiten Wendel mit einem Abstimmelement (16, 17, 18) verbunden ist, das die Resonanz der Antenne festlegt, und daß mit der zweiten Wendel ein Speisekreis (19_? 21, 23) induktiv gekoppelt ist, der Energie der Antenne zuführt und/oder aus der Antenne ableitet.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Speisekreis der Antenne Energie zuführt und/oder aus der Antenne ableitet, wenn ein Objekt (30) in die Nähe der Antenne kommt und die Antenne kapazitiv verstimmt, und daß die im Speisekreis auftretende reflektierte Energie über einen Abstimmsteuerkreis (34) zur Steuerung des Abstimmelementes (16, 17» 18) und zur Wiedereinstellung der Resonanz ausgenützt wird.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die an der ersten Wendel (11) angeschlossene kapazitive Last mindestens ein leitendes Element (12) aufweist.

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4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 "bis 3? dadurch gekennzeichnet , daß das Abstimmelement eine kapazitive Bodenlast (16a Ms 18a, 16b bis 18b, 16c bis 18c) und einen Kondensator (16 bis 18) aufweist, der in Reihe zur zweiten Wendel (13 bis 15) und dieser kapazitiven Bodenlast geschaltet ist.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4-, dadurch gekennzeichnet , daß der Speisekreis eine kapazitive Bodenlast, einen HF-i-Anschluß und eine Spule (19, 21, 23) aufweist, wobei der eine Anschluß der Spule mit der kapazitiven Bodenlast und der andere Anschluß mit dem HF-Anschluß verbunden sind.

6. Antenne nach einem der Ansprüche' 1 bis 5? dadurch gekennzeichnet , daß der Spule (19? 23) ein Kondensator (20, 22) parallelgeschaltet ist und daß der HP-Anschluß

• als Abgriff (26, 29) der Spule (19, 23) ausgebildet ist.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß der Kondensator (16, 17', 18) des Abstimmelementes abstimmbar ist.

8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7» dadurch gekennzeichnet , daß die Spule (19? 21) des Speisekreises und der Parallelkondensator (20, 22) einen Parallelresonanzkreis bilden.

9. Antenne nach einem der Ansprüche 2 bis 8, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstimmsteuerkreis (34-) in Abhängigkeit von der Größe der reflektierten Energie im Speisekreis das Abstimmelement (16, 17? 18) verstellt" und die Antenne wieder in Resonanz bringt.

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10. Antenne nach einem der Ansprüche 2 "bis 9, dadurch gekennzeichnet , daß der Abstimm-Steuerkreis über einen Richtungskoppler (32) und einen Verstärker (33) mit dem Speisekreis gekoppelt ist.

11. Antenne nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, daß der Richtungskoppler mit dem-Abgriff (26, 29) der Spule (19? 21) im Speisekreis gekoppelt ist.

12. Antenne nach einem der Ansprüche 1 his 11, dadurch gekennzeichnet , daß das untere Ende des Hauptstabes (10) über einen Schalter (10*) mit verschiedenen zweiten Wendeln (13 bis 15) verbindbar ist, die jeweils über einen veränderlichen Kondensator (16 bis 18) mit einer kapazitiven Bodenla'st gekoppelt sind, und daß mit jeder zweiten Wendel ein Speisekreis gekoppelt ist.

13· Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, daß die Speisekreise über einen Schalter (25) synchron mit der Anschaltung (10*) der zweiten Wendeln (13 bis 15) an den Hauptstab (10) mit dem Eichtungskoppler (31, 32) verbindbar sind.

Antenne nach Anspruch 11 oder 12, dadurch- gekennzeichnet, daß die zweite einander zugeordnete Wendel (13 bis 15), der Abstimmungskondensator (16 bis 18) und die Elemente (19, 20 bzw. 21, 23) des zugeordneten Speisekreises auf das gleiche Frequenzband ausgelegtsind und daß die Frequenzbänder der selektiv ansehaltbaren Elemente verschieden sind und sich über einen Gesamtfrequenzbereich erstrecken.

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15· Antenne nach Anspruch. 11 bis 14·, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimm-Steuerkreis (34) über einen Schalter (35) synchron mit dem Schalter (10¹) für die Anschaltung der zweiten Wendel (13 bis 15) mit dem zugeordneten Abstimmelement (16 bis 18) verbindbar ist.

16. Antenne nach Anspruch 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstimm-Steuerkreis (34-) parallel mit allen Abstimmelementen (16 bis 18) der zweiten Wendeln (13 bis 15) gekoppelt ist.·

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