DE2423420A1 - Radioelektrische richtantenne - Google Patents
Radioelektrische richtantenneInfo
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Description
D i PI. -1 η g.
Rudolf Busselmeier
D i pi. -1 ng.
Rolf Charrier η / ο ο / ο η
»,,I« Si,- mi ok iu
Patentanwälte
Augsburg 31 · Postfach 242
Rehlingenstraße 8
Tel. 08 21/2 88 45
Rehlingenstraße 8
Tel. 08 21/2 88 45
Postscheckkonto: München Nr. 1547 89-801
6675/01/UO/Fr Augsburg, 7. Mai 1974
Maurice TACUSSEL
105bis rue du Point du Jour
F-92100 BOULOGNE-BILLANCOURT
"Radioelektrische Richtantenne"
Die Erfindung betrifft eine radioelektrische Richtantenne mit mindestens zwei Elementar-Dipolantennen,
die im wesentlichen in derselben Ebene angeordnet und longitudinal zueinander versetzt
sind und jeweils zwei in Form eines "V" angeordnete Strahlungselemente besitzen,
wobei der dem offenen Ende,von jedem Strahlungselement einer Elementarantenne gegenüberliegende
Fuß durch eine Leitung mit dem Fuß des entspre-
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chenden Strahlungselements der benachbarten Elementarantenne und mit einem Ausgang der Antenne
verbunden ist.
Eine erfindungsgemäße Antenne kann zur Emission und/oder zum Empfang von radioelektrischen Signalen
bei Frequenzen zwischen einigen Hundert MHz und mehr als 1000 MHz verwendet werden.
Eine solche Antenne ist besonders geeignet für Verwendungszwecke, bei denen eine große Richtwirkung
nötig ist, beispielsweise für Apparate, welche die Anwesenheit oder die Annäherung von Gegenständen
überwachen; die Antenne ist aber ebensogut zum Empfang von VHF- und UHF-Fernsehstrahlungen
geeignet.
Eine Antenne wird allgemein definiert durch ihre Richtcharakteristiken,
ihre Impedanz, welche derjenigen des Generators, der sie speist, oder derjenigen des Empfängers,
der die von der Antenne aufgefangene Energie sammelt, angepaßt sein muß,
ihre Fähigkeit, diese Eigenschaften in einem großen Frequenzband zu behalten.
Eine andere Eigenschaft, die vom Typ der Antenne abhängt, ist ihr Wirkungsgrad; das heißt, die Be-
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Ziehung zwischen der Energie, die in einer gegebenen Richtung emittiert oder empfangen wird, und
der äquivalenten Antennenoberfläche.
Es gibt verschiedene Antennentypen, mit denen sich zufriedenstellende Charakteristiken erhalten lassen,
deren Verwirklichung jedoch mehr oder weniger komplex ist.
Wenn es nicht notwendig ist, eine Antenne mit großer Richtwirkung vorzusehen, kann es interessant
sein, eine Antenne in Form eines "V" zu verwenden, die sich für eine einfache Verwirklichung
besonders anbietet.
Die Antenne in Form eines "VM leitet sich von der
Dipolantenne ab, von der sie sich durch Strahlungselemente unterscheidet, die mehrere Wellenlängen
erfassen können und in Form eines "V" angeordnet sind. Die Erregungsquelle ist in Serie
mit den beiden Strahlungselementen in der Spitze (im Scheitel) des "V" angebracht (vergleiche
Antenna Engineering Handbook, Kapitel 4, Mc GRAW-HILL BOOK COMPANY, 1961).
Zur Erzielung einer maximalen Richtwirkung ist der Scheitelwinkel des "V" eine Funktion der
Länge der Strahlungselemente.
Das Strahlungsdiagramm ist bi-direktional und besitzt
sekundäre Strahlungslappen mit relativ ho-
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hem Niveau bezogen auf die Grundstrahlung (ungefähr -6 dB).
Der bi-direktionale Effekt' beruht auf der Ausbildung
stationärer Wellen auf den Strahlungselementen.
Um eine uni-direktionale Strahlung zu erhalten, wurden mehrere Lösungen vorgeschlagen:
1. Longitudinale Anordnung von zwei oder mehreren Antennen: mit dieser Lösung kann trotz der
Schwierigkeiten, auf die man trifft, wenn man die Koppeleffekte zwischen den Antennen beherrschen
will, die Rückstrahlung in einem kleinen Frequenzgebiet um die Abstimmfrequenz der Anordnung
beseitigt werden, aber diese Lösung unterdrückt nicht die Sekundärstrahlungslappen,
die noch immer bedeutend bleiben.
2. Ausbildung einer progressiven Welle auf den Strahlungselementen:' mehrere Mittel wurden verwendet,
um dieses Ergebnis zu erhalten.
- Eine Widerstandslast, welche die vom offenen Ende reflektierte Welle absorbiert, wird in
Serie auf jedem Strahlungselement in einer Entfernung
von ungefähr einer viertel Wellenlänge vom Ende von jedem Strahlungselement eingesetzt
(vergleiche E.E. Altshuler in: "The travelingwave linear antenna", IRE transactions antennas
and propagation, Band AP-9, Seiten 324 bis 329, Juli 1961).
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Man läßt die Leitfähigkeit eines Widerstandsmaterials, das auf den Strahlungselementen angebracht
ist, in der Weise progressiv variieren, daß die Welle am Ende hinreichend geschwächt
wird und dementsprechend die Reflexion schwach oder null ist ( LIANG - CHI SHEN - LEEE,
transactions - Antennas and propagation - Band AP 15, Seiten 606 bis 611, September 1967).
Diese beiden Lösungen ergeben zwar eine Schwächung der Rückstrahlung, dies wirkt sich aber in einem
deutlichen Verlust der Verstärkung der Antenne aus.
Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es, nicht nur die Rückstrahlung zu schwächen, sondern praktisch
zu unterdrücken, und zwar ohne Schaden für die Verstärkung der Antenne.
Diese Aufgabe wird mit der im Hauptanspruch beschriebenen Erfindung gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen
sind in den Unteransprüchen dargelegt.
Gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung verwendet man nur zwei identische Elementarantennen
mit geradlinigen Strahlungselementen,
die longitudinal zueinander um ungefähr ein Viertel der Wellenlänge bei der Mittelfrequenz des Arbeitsbandes
der Antenne zueinander versetzt sind.
Bei einer erfindungsgemäßen Antenne erhält man allgemein gute Ergebnisse, wenn der Wert der er-
409850/1044 _ 6 -
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wähnten Widerstandslast größenordnungsmäßig 400 bis 800 Ohm beträgt.
Die Erfindung wird im folgenden anhand von Ausführungsbeispielen mit Bezug auf die Zeichnung
näher beschrieben; es zeigen
Fig. 1 eine Draufsicht auf eine Antenne gemäß der Erfindung;
Fig. 2 ein Strahlungsdiagramm in der Ebene der Strahlungselemente der Antenne gemäß
Fig. 1;
Fig. 3 ein Strahlungsdiagramm derselben Antenne, jedoch senkrecht zur Ebene der Strahlungselemente
;
Fig. 4 ein Strahlungsdiagramm, analog dem von Fig. 2, jedoch an einer bekannten Antenne
mit Strahlungselementen in V-Form gemessen;
Fig. 5 zwei weitere Ausführungsformen der Er-1111(1 6
findung;
Fig. 7 eine Antenne gemäß der Erfindung, die durch Photogravüre auf einer gedruckten
Schaltkreiskarte realisiert ist.
- 7 409850/1044
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Die in Fig. 1 dargestellte Antenne umfaßt zwei Elementarantennen 2 und 4 in V-Form, die in derselben
Ebene angeordnet sind.
Die zwei Elementarantennen sind longitudinal um eine Entfernung D versetzt. Der Fuß des Strahlungselements
6 der Antenne 2 ist mit dem Fuß des entsprechenden Strahlungselöments 8 der Antenne
4 durch ein Verbindungsstück 10 verbunden, auf dem ein Ausgang A der Antenne angebracht ist.
In gleicher Weise sind die entsprechenden Strahlungselemente 6' und 8' an ihrem Fuß durch ein
symetrisches Verbindungsstück 12, welches den zweiten Ausgang B trägt, verbunden. Der Generator
oder der Empfänger 14, der mit der Antenne zusammenarbeitet, ist mit den Klemmen A und B
verbunden.
Gemäß der Erfindung sind die entsprechenden Strahlungselemente 6, 8 der beiden Antennen 2 und
4 untereinander durch eine Widerstandslast 16 verbunden; die zwei anderen entsprechenden Strahlungselemente
6', 8' sind untereinander durch eine
identische Widerstandslast _16' verbunden. Wie in
der Figur gezeigt, geschieht die Verbindung der Widerstände 16, 16' auf den Strahlungselementen
in der Zone der offenen Enden der Strahlungselemente, vorzugsweise in einer Entfernung von diesem
offenen Ende zwischen ungefähr 0,2 und 0,4 mal der Länge des Strahlungselementes.
- 8 409850/1044
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Die Widerstandslasten 16-16' absorbieren die von den Enden der Strahlungselemente reflektierten
Wellen und modifizieren andererseits die Verteilung der Ströme auf den Strahlungselementen. Man
erreicht also auf der longitudinalen Anordnung der beiden Antennen in V-Form eine progressive
Stromverteilung und Wellenausbildung.
Zur Bildung der longitudinalen Anordnung sind die beiden Antennen 2 und 4 durch eine Entfernung D
getrennt, die ungefähr einer 1/4 Wellenlänge bei der Arbeitsfrequenz entspricht. Dies wiederum entspricht
ungefähr 0,30 bis 0,45 mal der Länge eines Strahlungselements, das seinerseits eine Länge
zwischen 0,65 und 0,80 mal der Wellenlänge, vorzugsweise zwischen 0,7 und 0,75 mal der Wellenlänge
besitzt.
Eine Antenne, wie sie in Fig. 1 dargestellt ist, kann aus Stangen oder Röhren, die zur Bildung der
dargestellten Anordnung zusammengesetzt sind, verwirklicht werden.
Als*Beispiel sollen hier vorteilhafte Dimensionen
für eine Antenne angegeben werden, die bei der Frequenz f und der Wellenlänge λ arbeitet:
- 9 409850/1044
6675/01/UO/Fr - 9 - 7. Mai 1974
pd Scheitelwinkel des »V» L Länge von jedem Strahlungselement 0,75 Λ0
D Trennung zwischen beiden Antennen 0,27 λο
d Durchmesser von jedem Strahlungselement 0,013 λ
e Trennung der Symmetrielinien der
Verbindungsstücke 10,12 . 0,067A0
1 Entfernung der Widerstandsverbindungen von den Enden 0,18 Λ
R - Wert der Widerstände
Der Wert der Verbindungswiderstände 16, 161 ist
nicht kritisch. Er kann einige Hundert Ohm betragen, beispielsweise zwischen 400 und 800 Ohm. In
gleicher Weise muß die symmetrische Verbindungsleitung 10,12 zwischen den zwei Antennen nicht eine
sehr genaue, charakteristische Impedanz besitzen; ein Wert der Größenordnung 200 bis 300 Ohm ist vorteilhaft.
Wenn die Anordnung an den Punkten A und B (Fig. 1) eingespeist wird, wird das Maximum der Strahlung
in Richtung der Winkelhalbierenden 18 des Scheitelwinkels des V gerichtet.
Die Strahlungsdiagramme dieser Antenne sind in den Fig. 2 und 3 dargestellt. Diejenige der Fig.
ist in einer Ebene, welche die Strahlungselemente enthält; diejenige der Fig." 3 ist in einer Ebene
senkrecht zu diesen.
- 10 409850/1044-
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Die Diagramme bleiben in einem Frequenzband bis über +7,5 % der Mittelfrequenz erhalten.
Die Impedanz der Antenne ist in diesemselben Bereich konstant.
Die Verstärkung der Antenne beträgt ungefähr + 10 dB bei der höchsten Frequenz des Bandes.
Zu Vergleichszwecken ist in Fig. 4 das Strahlungsdiagramm in der Ebene der Strahlungselemente einer
bekannten Antenne mit zwei Strahlungselementen in
V-Form, einer sogenannten Antenne "mit Widerstandsstrahlungselementen" dargestellt. Die Strahlungselemente
dieser Antenne haben eine Länge gleich
auf
einer Wellenlänge,Vwelcher man die Leitfähigkeit eines Widerstandsmaterials, das auf die Strahlungselemente aufgebracht ist, progressiv variieren läßt. Eine bekannte Antenne dieses Typs wurde in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung zitiert.
einer Wellenlänge,Vwelcher man die Leitfähigkeit eines Widerstandsmaterials, das auf die Strahlungselemente aufgebracht ist, progressiv variieren läßt. Eine bekannte Antenne dieses Typs wurde in der Einleitung der vorliegenden Beschreibung zitiert.
Der Vergleich der Strahlungsdiagramme der Antenne in V-Form mit Widerstandsstrahlungselementen
von Fig. 4 und der Fig. 2 zeigt, daß die als Beispiel vorgelegte Antenne eine Verbesserung der
Richtwirkung trotz kürzerer Strahlungselemente mit sich bringt: 0,75 λο anstelle von 1 Λ 0· Insbesondere
ist das Strahlungsbündel bei halber Leistung schmäler, die Nullstellen sind deutlich
stärker ausgebildet, die Sekundärlappen liegen
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6675/01/UO/Fr - 11 - 7. Mai 1974
mindestens unter 10 dB und die Rückstrahlung existiert praktisch nicht.
Diese Verbesserungen bleiben für verschiedene Längen der Strahlungselemente erhalten. Es genügt
also, den Scheitelwinkel des 11V" anzupassen,
um das Maximum der Strahlung von jedem Strahlungselement zusammenfallen zu lassen.
Gemäß der in Fig. 5 dargestellten Variante kann man zwischen den zwei Elementarantennen 2, 4 eine
dritte Elementarantenne 20 in V-Form anordnen, die in der Zeichnung gestrichelt angedeutet ist.
In diesem Fall ist die Trennung D zwischen den zwei Antennen 2 und 4 weiterhin größenordnungsmäßig
1/4 der Wellenlänge (beispielsweise 0,27 Λo»
wie in dem weiter oben zitierten Beispiel), während die Trennung zwischen der Antenne 2 und der
Hilfsantenne 20 ungefähr 1/16 der Wellenlänge betragen
kann. Die Verbindungen mit der Widerstandslast 16 bzw. 16 * erfolgen an jedem der drei Strahlungselemente
der Antennen 2, 4, 20, wie in der Figur angedeutet; die Entfernung zwischen dem Verbindungspunkt der Widerstandslast und dem Ende
des entsprechenden Strahlungselements beträgt größenordnungsmäßig 0,15 bis 0,25 mal die Wellenlänge,
wie im Falle mit nur zwei Antennen.
Im wesentlichen identische" Resultate lassen sich erhalten, wenn man zwei Antennen in V-Form mit
anderen Längen und Winkeln anordnet. Die Pia-
- 12 -
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zierungspunkte der Anschlüsse 22, 24, 22», 24'
(Fig. 1) der Widerstandsverbindungen ist durch die oben angegebenen Grenzen bestimmt.
Eine große Anzahl von Antennen in V-Form, beispielsweise 4 Antennen 30, 32, 34, 36, können in
derselben Weise wie für zwei Antennen mit Widerstandsverbindungen 16, 38, 40, 16', 38', 40' angeordnet
werden (Fig. 6). Daraus ergeben sich noch schmälere Strahlungsdiagramme bei halber
Leistung.
Die Antennen in V-Form bestehen nicht notwendigerweise
aus geradlinigen Strahlungselementen. Es
können nennenswerte Richtungsänderungen entlang der Strahlungselemente eingefügt sein.
Für niedrige Frequenzen der Größenordnung von einigen Hundert Megahertz kann die Antenne aus
einer Anordnung voller oder hohler Stangen bestehen, wie es anläßlich der Fig. 1 angedeutet
wurde. Bei höheren Frequenzen (1000 MHz und darüber) kann die Antenne durch Ziehen einer
Metallplatte verwirklicht werden.
Bei höheren Frequenzen ist es von besonderem Interesse, eine solche Antenne durch Photogravüre
auf einem isolierenden Substrat, das mit einer Metallfolie plattiert ist, zu verwirklichen. Dieses
Verfahren wird häufig zur gedruckten Schaltung in radioelektrischen Anordnungen verwendet.
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Ein Beispiel dieser letztgenannten Ausführungsform ist in Fig. 7 dargestellt. Die Antenne und
der Symmetrisierer sind auf demselben Schaltkreis ausgebildet; die Speisung der Antenne kann
also durch ein Koaxialkabel oder eine asymmetrische Speiseleitung erfolgen.
Die Dimensionen einer solchen Antenne, die bei einer Wellenlänge \ arbeitet, können beispielsweise
folgende sein:
OC Scheitelwinkel des V
L Länge von jedem Strahlungselement 0,69A0
D Trennung zwischen den beiden
Antennen 0,28 >
g Breite eines Strahlungselements 0,05 A0
1 Entfernung der Widerstandsverbindung von den freien Enden der Strahlungselemente 0,18 Λ
Eine für Frequenzen um "2500 MHz vorgesehene Antenne
kann also durch Photogravüre auf einer gedruckten Schaltkreiskarte von ungefähr 160 mm χ
14O mm erhalten werden.
Vorzugsweise läßt man auf der Karte einen leitenden Rand 26 in hinreichendem Abstand von den
Strahlungselementen 6, 6' stehen, so daß die Strahlung der Antenne nicht beeinflußt wird und
die direkte Montage mindestens bestimmter Elemen-
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te (nicht gezeigt) des Senders und/oder des Empfängers, der der Antenne zugeordnet ist, entsprechend
der Technik der gedruckten Schaltkreise möglich ist, wobei bestimmte Schaltkreise
selbstverständlich auf der Rückseite der Karte aufgedruckt sein können, welche die Antenne
trägt.
Die Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung hat zahlreiche Anwendungsmöglichkeiten:
Sie kann vorteilhaft zum Empfang von Fernsehstrahlungen verwendet werden, wobei sie Antennen
des YAGI-Typs ersetzt, deren Wirkungsgrad über einige Elemente hinaus gering ist.
Andererseits kann sie, da ihre Impedanz sich wenig mit der Frequenz verändert, bei sehr viel
tieferen Frequenzen verwendet werden, als denen, für welche sie gedacht ist, auch wenn eine Richtstrahlung
für diese tiefen Frequenzen nicht erforderlich ist. Insbesondere können die als Beispiel
in den Fig. 1 und 5 dargestellten Antennen in ländlichen Gebieten zum gleichzeitigen Empfang
des Fernsehens im Band III (VHF) und im Band IV (UHF) verwendet werden, wobei die erwähnten Abmessungen
an die Mittelfrequenz des Bandes IV angepaßt sind.
Das in einer Ebene schmale, in der anderen Ebene breite Strahlungsdiagramm und die wichtige Ver-
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Stärkung der Antenne sind gleichermaßen Charakteristiken, welche die Antenne besonders zur Anwendung in
Eindring-Detektoren geeignet macht, die bei Hyperfrequenzen arbeiten.
In der Tat besitzt eine solche, einfach herzustellende Antenne ein Strahlungsdiagramm, das zu dieser
Art Vorrichtung paßt. Sie kann in der horizontalen Ebene eine große Fläche erfassen, wobei sie
in der vertikalen Ebene ein hinreichend schmales Strahlenbündel besitzt. Das schmale Strahlenbündel
in der vertikalen Ebene vermeidet Fehlalarme, wenn die Vorrichtung in einem alten Gebäude mit mehreren
Etagen, deren Decken und Böden, im allgemeinen aus Holz, für elektromagnetische Strahlung teilweise
durchlässig sind, verwendet wird.
Die vorliegende Antenne kann darüber hinaus als Basiselement für die Ausbildung von ebenen oder
longitudinalen Antennennetzen verwendet werden.
- 16 Ansprüche
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Claims (13)
1. Radioelektrische Richtantenne mit mindestens zwei Elementar-Dipolantennen, die im wesentlichen
in derselben Ebene angeordnet und longitudinal zueinander versetzt sind und jeweils zwei in Form eines "V" angeordneten
Strahlungselemente besitzen,
wobei der dem offenen Ende von jedem Strahlungselement einer Elementarantenne gegenüberliegende
Fuß durch eine Leitung mit dem Fuß des entsprechenden Strahlungselements der benachbarten
Elementarantenne und mit einem Ausgang der Antenne verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die entsprechenden Strahlungselemente
von mindestens zwei aufeinanderfolgenden Elementarantennen untereinander im Gebiet ihrer offenen Enden durch eine Widerstandslast
miteinander verbunden sind.
2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch g e k e η η
zeichnet, daß die Strahlungselemente geradlinig sind.
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3. Antenne nach einem der Ansprüche 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß
die Scheitelwinkel der "V" der Elementarantennen identisch sind.
4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet , daß
die Längen der Strahlungselemente der Eleraentarantennen identisch sind.
5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet , daß
die Widerstandslast, die zwischen zwei entsprechenden Strahlungselementen der zwei benachbarten
Elementarantennen angeordnet ist, auf jedem Strahlungselemente in einer Entfernung
von zwischen ungefähr 0,2 und 0,4 mal der Länge des Strahlungselementes vom offenen
Ende des Strahlungselementes angebracht und verbunden ist.
6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet , daß die Länge von
jedem Strahlungselement zwischen ungefähr
0,65 und 1 mal die Wellenlänge bei der Mittelfrequenz des Arbeitsbandes der Antenne
ist und daß der Anschlüßpunkt der Widerstandslast in einer Entfernung, bezogen auf das
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offene Ende des entsprechenden Strahlungselements
von ungefähr zwischen 0,15 und 0,25 mal der Wellenlänge ist.
7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet , daß die
longitudinale Versetzung zwischen den zwei Elementarantennen zwischen 0,30 und 0,45 mal
die Länge eines Strahlungselements beträgt.
8. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die
Widerstandslast einen Wert von einigen Hundert 0hm hat.
9» Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß der
Scheitelwinkel des "V", das von den beiden Strahlungselementen einer Elementarantenne
gebildet wird, ungefähr 90° beträgt.
10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch
gekennzeichnet, daß die Strahlungselemente von Stangen oder Rohren
gebildet sind.
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11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 his 9,
• dadurch gekennzeichnet, daß
sie durch Schneiden-Ziehen einer Metallplatte hergestellt ist.
12. Antenne nach einem der Ansprüche 1 his 9, dadurch gekennzeichnet, daß
sie durch Photogravüre auf einem mit einer metallischen Folie plattierton, isolierenden
Substrat hergestellt ist.
13. Antenne nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet , daß sie in der
Nähe der Basis der Antenne ein leitendes Gebiet trägt, das von einem stehengelassenen
Teil der genannten Metallfolie gebildet wird und zur Aufnahme von Komponenten des der Antenne zugeordneten Apparats bestimmt
ist.
409850/1044
JtO .
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