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Antennenverstärker (Ausscheidung aus der OS 1591 300) Die Erfindung
bezieht sich auf eine symmetrisch aufgebaute Antenne mit einem zwischen ihren Eingangsklemmen
angeschlossenen Verstärker.
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Die besondere Problematik solcher Anordnungen besteht in der strengen
Aufrechterhaltung der Symmetrie, wobei der Verstärker und die im Wellenfeld liegende
Zuleitung in diese Symmetrieforderung einzubeziehen sind. Weil unabgeschirmte Kabel
durch dieses ellenfeld direkt in undefinierter Gleise beeinflußt werden und abgeschirmte
symmetrische Kabel keinen eindeutigen Wellentyp führen, ist die hevo] te Form der
Zuleitung das Koaxialkabel. Die Erfindung ist daher auf koaxiale Zuleitungen zum
Verstärker beschränkt. Eine solche koaxiale Zuleitung kann eine homogene koaxiale
Leitung sein, aber auch alle anderen bekannten Anordnungen koaxialer Form, die koaxiale
Anschlußstecker besitzen, z.B. Filter oder Leitungsverstärker.
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Bei der Verwendung von koaxialen Zuleitungen ist es wichtig, daß auf
dem Außenleiter der koaxialen Zuleitung keine Mantelwellen laufen, weil diese bekanntlich
die Richtwirkung und die Impedanz der Antenne in undefinierter Weise beeinflussen.
Nur durch die Symmetrie der gesamten Anordnung, Symmetrie des mechanischen Aufbaus
und Symmetrie der Stromverteilung auf dem Antennenleiter sind die Mantelwellen zu
vermeiden.
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Zur Erhaltung der Symmetrie verwendet man vielfach Gegentaktverstärker.
In der US-Patentschrift 2578 973 ist für eine Empfangsantenne in Fig.2 ein Gegentaktverstärker
mit zwei Gegentakttrioden beschrieben. In dem Aufsatz von iS.P-1einke, Aktive Antennen,
Nachrichtentechnische Zeitschrift, Band 19(1966), S.697-705, ist in Bild 5 ein Gegentakt-Senderverstärker
mit zwei direkt an die Antenne angeschlossenen, parametrisch frequenzvervielfachenden
Varaktordioden beschrieben. Gegentaktverstärker
bedeuten nicht
nur einen hohen Aufwand, sondern ergeben bei höheren Frequenzen bekannte Symmetrierungsprobleme
bereits in der Gegentaktschaltung wegen der Ungleichheit der beiden beteiligten
Elemente. Bei Gegentaktverstärkern, die an koaxiale Zuleitungen angeschlossen werden,
gibt es außerdem dort, wo der Gegentaktverstärker an das Koaxialkabel angeschlossen
ist, die Aufgabe des Ubergangs von einem symmetrischen Gebilde auf die unsymmetrische
koaxiale Zuleitung mit den bekannten Unzulänglichkeiten. Manche der bisher verwendeten
Übergänge sind unvollkommen und erzeugen immer noch Mantellvellen störenden Umfangs
aüf dem Außenleiter der koaxialen Zuleitung (z.B. offene Sperrtöpfe).
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Manche übergänge sind frequenzabhängig und wirken nur in sehr kleinen
Frequenzbereichen (z.B. Umwegleitungen) , manche Ubergänge lösen die Aufgabe zwar
in großen Frequenzbereichen, erzeugen aber frequenz abhängige Zusatzblindwiderständeparallel
zur Schaltung (z.B. geschlossene Sperrtöpfe).
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Es sind Anordnungen bekannt, bei denen in Kombination mit symmetrischen
Antennen zur Verminderung des Aufwandes und zur Vermeidung des bei sehr hohen Frequenzen
nahezu undurchführbaren Gegentaktbetriebs unsymmetrischer Verstärker verwendet werden,
die nicht an symmetrisch liegenden Unterbrechungsstellen des Antennenleiters liegen.
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In der Arbeit von Copeland u.a., Antennafier arrays, IEEE-Transactions
on Antennas and Propagation, Band AP-12(1964), S.227=233, ist in Fig.l ein symmetrischer
Antennenstab beschrieben worden1 an dessen eine Hälfte ein unsymmetrischer Verstärker
angekoppelt wird. Nach S.229, oben rechts, dieses Aufsatzes mußte man wegen der
Unsymmetrie dieserAnordnung das koaxiale Ausgangskabel durch einen am Eingang offenen
Sperrtopf gegen Mantelwellen schützen. Ein Sperrtopf bedeutet nicht nur zusätzlichen
Aufwand, sondern es ist bekannt, daß ein offener Sperrtopf dieser Art auch keine
vollständige Sicherheit gegen Mantelwellen bietet.
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Bekannt sind ferner Anordnungen, bei denen bei symmetrischen Antennen
an eine symmetrisch liegende Unterbrechungsstelle passive Symmetrierungsgebilde
angeschlossen werden, die einen unsymmetrischen Ausgang besitzen, wobei ein unsymmetrischer
Verstärker an diesen unsymmetrischen Ausgang angeschlossen wird. Vgl. Meinke - Gundlach,
Taschenbuch der ochfrequenztechnik, 3.Auf 1., Berlin 1968, Abschn. E 17 bis 21.
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Gegentaktschaltungen und Symmetrierschaltungen am Eingang oder Ausgang
des Verstärkers bedeuten einen hohen Aufwand, der vielfach nicht einmal zuverlässige
Wirkungen erbringt.
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Aufgabe der Erfindung ist es, eine symmetrische Antenne über einen
unsymmetrischen verstärkenden Dreipol an eine koaxiale Zuleitung ohne zusätzliche
Symmetrierungseinrichtungen so anzuschließen, daß Symmetrierung ohne Mantelwellen
auf dem Koaialkabel in einem großen Frequenzbereich zuverlässig, ohne zusätzliche
Impedanzbelastung und mit kleinstem Aufwand eintritt.
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Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die symmetrisch
aufgebaute Antenne in an sich bekannter Weise aus einem einzigen zusammenhängenden
Leiter in Form einer Schleife oder eines Faltdipols oder bekannten Variationen eines
Faltdipols besteht und dieser Leiter an einer summe trisch liegenden Stelle unterbrochen
ist, wobei zwei Pole eines unsymmetrischen, verstärkenden Dreipols direkt, d.i.
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ohne Anpassungsnetzwerk, insbesondere ohne Symmetrierschaltunglund
ohne längere Zwischenleitung an diese Unterbrechungsstelle des'Antennenleiters angeschlossen
ist, und die koaxiale Zuleitung zum Verstärker mit ihrem Außenleiter an den zweiten
Symmetriepunkt des Antennenleiters angeschlossen ist und ihr Innenleiter durch das
Innere des Antennenleiters hindurch an den dritten Pol des verstärkenden Dreipols
herangeführt wird.
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Eine Anordnung nach der Erfindung mit einer Leiterschleife als magnetischew
Dipol ist in Fig.l dargestellt. Weitere Beispiele schleifenähnlicher Formen sind
der Faltdipol in Fig.2 und der kapazitiv belastete Faltdipol in Fig.3: Die Pole
1 und 2 des verstärkenden Dreipols sind an die Unterbrechungsstelle des Antennenleiters
angeschlossen. Punkt 4 ist der zweite Symmetriepunkt, an den der Außenleiter des
Koaxialkabels angeschlossen ist; T ist der verstärkende Dreipol und 3 sein dritter
Pol, an den der Innenleiter des Koaxialkabels durch das Innere des Antennenleiters
herangeführt ist.
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Es ist neu und keinesfalls selbstverständlich, daß ein unsymmetrischer
Verstärker an die symmetrischen Klemmen einer symmetrischen Antenne so angeschlossen
werden kann, daß die Symmetrie ohne zusätzliche Symmetrierungsmittel vollständig
und nahezu frequenzunabhangig gewahrt ist und keine kiantel wellen auf dem Koaxialkabel
entstehen. Wichtig für das Nichtentstehen von Mantelwellen ist, daß nicht nur die
mechanische Symmetrie der Antenne besteht, sondern auch die elektrische Symmetrie,
d.h. die Symmetrie der Str5me auf der Antenne, soweit diese Ströme das Wellenfeld
bestimmen. Fig.4 erläutert die Wirkung der Anordnung nach der Erfindung hinsichtlich
der Antennenströme.
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Damit die aus der Antenne am Punkt 4 herausgeführte Zuleitung frei
von Mantelwellen ist, muß die gesamte Anordnung symmetrisch zum Anschlußpunkt 4
der Zuleitung sein. Daher muß der zwischen 1 und -2 liegende Anschlußschlitz genau
in der Mitte des rechten Antennenleiters liegen. Von diesem spannungsführenden Schlitz
aus baut sich dann das elektrische Feld der Antenne auf. Mit Hilfe von Fig.4 wird
gezeigt, daß die Antenne völlig symmetrisch in ihrer Stromverteilung bleibt, obwohl
der zwischen 1 und 2 angeschlossene Dreipol kein symmetrisches Gebilde ist. Fig.4
zeigt die unmittelbare Umgebung eines Transistors T in der Antenne für-den Sendefall.
In den Anschluß 1 der Antenne hinein fließt aus dem Transistor der Kollektorstrom
iC.
Aus dem Anschluß 2 der Antenne in den Transistor hinein fließt der Emitterstrom
iE. . Aus dem Transistor heraus fließt der Basisstrom 1B in den Innenleiter 3 der
koaxialen Zuleitung. Dann fließt ein Strom 1B gleicher Größe, aber entgegengesetzter
Richtung auf dem Außenleiter der koaxialen Leitung. Der Außenleiter der koaxialen
Leitung ist die Innenseite des rohrförmigen Antennenleiters. Da wegen des Skineffekts
das Innere der Leiter stromfrei ist, tritt der Strom iB am Ende der Koaxialleitung
von der Innenseite des rohrförmigen Antennenleiers auf die Außenseite in der in
Fig.4 gezeichneten Richtung über. Auf dem unteren Teil des Außenleiters fließt dann
resultierend der Strom iE - B von unten nach oben. Da 1E - B =iC ist, fließt über
den Schlitz zwischen 1 und 2 resultierend der Strom iE - iB von unten nach oben.
Die Tatsache, daß iE und 1B verschieden sind, tritt also im Außenraum der Antenne
nicht in Erscheinung, sondern iC bestimmt das entstehende magnetische Feld.
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Eine Anordnung aus dem Aufsatz von H.Meinke, Aktive Antennen, Nachrichtentechnische
Zeitschrift, Band 19 (1966), S.697-705, zeigt in Bild 7 eine konische Antenne, bestehend
aus einer Doppelspirale, wobei an die beiden oberen Enden der Spiralen Basis und
Emitter eines verstärkenden Transistors angeschaltet sind und der Kollektor des
Transistors an einen durch das Innere des Antennen leiters führenden Leiter angeschlossen
ist. Diess Anordnung b&rifft nicht die Antenne nach der Erfindung, weil sie
nicht symmetrisch aufgebaut ist, weil sie nicht aus einem zusammenhängenden Leiter
besteht, also auch nicht den für den Anschluß des Außenleiters des Koaxialkabels
erforderlichen Symmetriepunkts besitzt, und weil eine an den Leiter B2 angeschlossene
koaxiale Zuleitung nicht frei von Mantelwellen wäre. Die beiden Leiter der Doppelspirale
einer konischen Spiralantenne, wie sie in der genannten Arbeit beschrieben ist,
können nicht gleiche Form haben. Vielmehr beruht die Ausstrahlung der Antenne auf
der Tatsache, daß die beiden Leiter ungleich sind. Ein an den
Antennenleiter
B2 angeschlossenes koaxiales Kabel übernimmt nahezu die gesamte, auf diesem Antennenleiter
laufende Welle als Mantelwelle auf seinen Außenleiter. Es ist auch nicht so, wie
man früher annahm und wie es im genannten Aufsatz auf Seite 701 in Zeile 14 bis
17 noch beschrieben wurde, daß das untere Ende des Leiters B2 nahezu wellenfrei
ist, wenn dieser Leiter nur ausreichend lang ist. Zu dem Aufsatz von Wohlleben,
ur Strahlungszone an kegelförmigen, zweiarmigen logarithmischen Spiralantennen,
aus dem Buch"Antennen und elektromagnetische Felder", Kurzfassung der Vorträge der
Tagung in Darmstadt, 17. - 20,0ktober 1967, im Selbstverlag des VDE-Bezirksvereins
Frankfurt, wird auf Seite 43', Zeile 6 eine Theorie erwähnt, nach der 10 °Õ der
Wellenenergie jenseits der Strahlungszone weiterläuft, also als Mantelwelle auf
ein anschließendes Kabel übertritt. Aus Bild 2 dieses Aufsatzes ist zu entnehmen,
daß der Strom auf dem Antennenleiter mit wachsender Länge des Antennen leiters nur
langsam abnimmt und daß es sehr langer Antennenleiter bedarf, bis die Ströme so
klein sind, daß man ein einigermaßen mantelwellenfreies Kabel anschließen kann.
Dies würde zumindest einen wesentlich größeren Aufwand an Leiterlänge erfordern,
als die Antenne nach der Erfindung, bei der die Leiterlänge kleiner iSt als eine
Wellenlänge oder gleich einer Wellenlänge wie beim Faltdipol im Resonanzfall. Da
nach der bekannten Theorie der zweiarmigen Spiralantennen die Strahlungszone dort
liegt, wo der Konusumfang gleich einer Wellenlänge ist und dort also schon eine
Windung der Spirale gleich einer Wellenlänge ist, ergibt sich aus der genannten
Arbeit, daß ein mantelwellenarmer Anschluß frühestens dort erfolgen kann, wo der
Konusumfang gleich der doppelten Wellenlänge ist. Dies erfordert erhebliche Längen
des Antennenleiters und ist trotzdem hinsichtlich Mantelwellenfreiheit unvollkommen.
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Die in der genannten theoretischen Arbeit dargestellten Ergebnisse
entsprechen insofern nicht völlig der Wirklichkeit, als dort nicht beachtet wird,
daß die Spiralantennen in mehreren Modes arbeiten können, also bei längeren Antennenleitern
höhere Modes möglich werden, die einen völlig anderen Abstrahlungsmechanismus haben
und nach Art von Resonanzen in einzelnen Frequenzbereich hohe-Spannungen an den
Leiterenden entstehen lassen. Mit der Spiralantenne ist daher der völlig mantelwellenfreie
Anschluß einer koaxialen Zuleitung grundsätzlich nicht erreichbar und auch in mäßigem
Ausmaß nicht in größeren Frequenzbereichen.
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Die zweiarmige, konische Spiralantenne der genannten Veröffentlichung
ist also nicht symmetrisch aufgebaut, sie hat keine Anschlußmöglichkeit eines matelwellenfreien
Koaxialkabels und erreicht keine solche Wirkung mit Leiterlängen in der Größenordnung
der Wellenlänge. Die Vorteile der Erfindung bestehen also darin, daß mit kurzen
Leiterlängen und mit kleinstmöglichem Schaltungsaufwand eine mantelwellenfreie und
verstärkende Anordnung geschaffen ist.
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Die weitere Ausgestaltung der Erfindung betrifft den verstärkenden
Dreipol. Der an die Antenne angeschlossene Dreipol muß eine Mindestverstärkungbesitzen,
die beispielsweise bei Empfangs antennen in bekannter Weise von der Dämpfung der
Zuleitung und dem Rauschen des angeschlossenen Empfängers abhängt. Wenn die Verstärkung
eines einzelnen Transistors nicht ausreicht, verwendet man wie im Beispiel von Fig.5
zwei Transistoren T1 und T2 hintereinander. Der Transistor T2 wird vorteilhaft in
Kollektorschaltung betrieben. Die bekannte impedanztransformierende Wirkung der
Kollektorschaltung wird dann beispielsweise dahingehend verwendet, den Ausgangswiderstand
der Schaltung an den Wellenwiderstand des Ausgangskabels anzupassen.
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Wenn man wie beispielsweise im Funksprechverkehr die Antenne abwechselnd
zum Senden und zum Empfangen verwenden will, braucht man zwei umschaltbare Transistoren
T1 und T2in verschiedenen Armen der gefalteten Antenne, wie dies in Fig.6 gezeichnet
ist. Fig.6 zeigt ferner, wie die beiden Speiseleitungen verlegt und am Svmmetriepunkt
herausgeführt werden.
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Selbstverständlich können die hier beschriebenen gespeisten Einzelstrahler
in bekannter Weise mit anderen gespeisten oeler/und ungespeisten Strahlern uncl/oder
spiegelnden Flächen zu Richtantennen kombiniert werden.