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"Sendeantenne für VHF oder UHF Frequenzen" Die Erfindung betrifft
eine Sendeantenne, insbesondere eine solche für VHF oder UHF Frequenzen, bei welcher
einzelne Strahlerelemente in Tannenbaumanordnung von einem Gerüst, beispielsweise
einem antennenmast, in im wesentlichen senkrechter Lage gehalten sind. Wie noch
dargelegt wIrd, betreffen die erfindungsgemäßen Prinzipien besonders solche Antennen,
die allseitig ausstrahlen und in der horizontalen Diene im wesentlichen kreisförmige
Strahlungsdiagramme aufweisen. Sie sind aber dennoch allgemein bei jeglicher Anordnung
von mehreren Strahlerelementen anwendbar, insofern bei diesen Anordnungen die Symmetrie
hinsichtlich einer Vertikalebene beachtet wird.
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Es ist bekannt, daß bei solchen Sendeantennen zur Erzielung einer
besseren Scheinwiderstandsanpassung zweier oder mehrerer von einem gleichen Mehrfachverteiler.gespeisten
Dipolebenenanordnungen ausreichend ist, wenn diese mit entaprewhend
unterschiedlichen
Phasen gespeist werden, wobei diese Phasenverschiebung durch eine mechanische Verschiebung
der Dipolebenenanordnungen an dem betreffenden Mast auszeglichen wird.
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Das bedeutet, daß die zugeteilten Phasen nicht nur die eigenen Reflexionen
der Strahlungselemente ausgleichen und die Effekte ihrer miteinbezogenen Kopplungen
beheben, sondern auch die Beibehaltung eines konstanten Strahlungsdiagramms sowohl
in horizontaler als auch in vertikaler Ebene bei einer Änderung der betreffenden
Zenit- bzw. Azimutwinkel gestatten.
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Das Vorerwähnte wurde bei der Projektierung von Sendeantennen für
Fernsehübertragungen allgemein angewandt, da hier äußerst geringe Reflexionsfaktoren
verlangt werden. Dieser Kunstgriff findet aber seine Grenzen in der Bandbreite,
da die neue geometrische Lage, in der sich die Strahlerelemente nach der mechanischen
Verschiebung befinden, das Strahlungsdiagramm in der horizontalen Ebene bei Änderung
der Frequenz sehr schnell ändert. Antennen dieses Typs müssen daher einzeln ausgelegt
sein, um innerhalb eines speziellen und eng begrenzten Frequenzgebietes funktionieren
zu können, was veratändlicherweise die i%nwcndungsmöglihkeiten erheblich begrenzt
-und kostspielige ff'isarbeitungen des Frequenzgebietes für jede angefertigte Antenne
mit sich bringt.
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Um solche VarIationen reduzieren zu können, brachte man die sogenannte
Technik der "doppelten Kompensation" in Vorschlag, bei welcher einer Ebene des ausstranlenden
Elementes eine zweite ähnliche Ebene Winkelverschoben überlagert ist, so daß die
tieferen Minima einer Ebene sich in gleicher Richtung zu den anderen weniger tiefen
Minima der anderen Ebene befinden, um sich gegenseitig Kompensieren zu können, so
wie auch eine Kompensation der Maxima vorgenoxsen wird, Bei den beiden Ebenen muß
natürlich eine entaprechende Phasenverschiebung
in der Speisung
vorgesehen sein, damit sich die Phasen der darüberliegenden Radiatoren ausgleichen.
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Auf diese Weise erhält man eine gewisse Verbesserung der Kreisförmigkeit,
da sich die Diagramme in der Vertikalebene bei einer Änderung des Zenitalschnittes
im Strahlkörper verändern und demzufolge auch die erwähnte Kreisförmigkeit bei Veränderung
des Azimutschnittes.
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Es ist weiterhin bekannt, daß bei einem breiten Fernsehband ein 3
db Koppler verwendet werden kann, womit die 900 Phasenverschiebung zwischen den
beiden Ausgängen mit der üblichen mechanischen Verschiebung ausgeglichen werden
kann; es ist tatsächlich zu bemerken, daß die genannten 90° eine Konstante des 3
db Kopplers bilden und folglich unveränderlich sind, das heißt keine Frequenzänderung
einleiten, während die an der Dipolebenenanordnung vorgenommene mechanische Verschiebung
bei Frequenzänderungen veränderlich bleibt, was eine Änderung und somit eine Verschlechterung
des horizontalen Strahlungsdiagramms zur Folge hat.
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Zusammenfassend ist es mit den bis heute bekannten und angewandten
Techniken möglich, eine Sendeantenne den genannten Frequenzen, auch bei breitem
Band, der Impedanz anzugleichen, jedoch nur auf Kosten der Konstante des Strahlungsdiagramms
in den Horizontal- und Vertikalebenen.
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Nach dieser Einleitung besteht die Aufgabe der Erfindung in einer
Sendeantenne für E oder UHF Frequenzen, beispielsweise einer solchen mit gestaffelter
Strahleranordnung für allseitige Strahlung, bei welcher die Eigenschaft einer im
wesentlichen konstanten Strahlung in horizontaler und vertikaler Ebene ebenso in
dem gesamten in Betracht kommenden Frequenzbereich erhalten bleibt, wie ihre Impedanz,
auch dann, wenn der Frequenzbereich sehr breit wird, das heißt wenn es
sich
um eineBreitbandantenne handelt.
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Bei der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Antenne konnte überraschenderweise
festgestellt werden, daß die genannten Merkmale an einer Antenne der vorerwähnten
Art realisierbar sind, wenn entlang der genannten Antennenöffnung solche Strahlerelemente
oder Dipole mit einer Phasenverschiebung von 900 gespeist werden, die in der Horizontalebene
spiegelsymmetrisch zueinander liegen und die im wesentlichen die gleichen Leistungsbruchteile
abstrahlen, wobei die Antenne in einer imaginären horizontalen Ebene in zwei Teile
aufgeteilt ist, die gleiche Anteile der Gesamtleistung abstrahlen.
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Wie schon gesagt, gelangen die Eigenschaften der Erfindung insbesondere
an einer Breitband-Antenne mit allseitiger Strahlung zur Anwendung, wobei entsprechend
einer bevorzugten Ausgestaltung die Feldverteilung in der vertikalen Antennenöffnung
durchweg stetig ist mit einem Maximum im Zentrum und nach außen hin absteigendem
Verlauf, wobei die Phasenverschiebung zwischen dz dipolen gleicher Gruppen 900 beträgt.
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Dank der zentrierten und symmetrischen Anordnung der in den verschiedenen
horizontalen Ebenen liegenden Dipole mit phasengleicher Speisung wird durch die
Erfindung die Aufrechterhaltung eines stets symmetrischen horizontalen Strahlungsdiagramms
garantiert und zwar sowohl bei einer Brequenzänderung wie auch bei einer Änderung
des Azimutschnittes.
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Die genannte entsprechende Phasenverschiebung von 900 innerhalb der
Dipole oder Dipolgruppen in senkrechten und symmetrischen Abständen bezüglich der
Verteilungsebene (im bevorzugten Fall einer glockenartigen Verteilungsweise also
zur Mittelebene) der gesamten zugeführten Leistung dient andererseits
dazu,
die eigenen Reflexionen der Strahlungselemente auszugleichen und die Wirkungen ihrer
einbezogenen Kopplungen zu beheben. Die genannte Phasenverschiebung, die nicht von
einer mechanischen Verschiebung der Strahlungselemente ausgeglichen wird, wirkt
zusammen mit der erwähnten nicht konstanten Verteilung der Speiseamplitude, um in
der Vertikalebene ein Richtdiagramm zu realisieren, in welchem empfgangstote oder
Schweigezonen vermieden werden.
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Dank der erfindungsgemäßen Konstruktion und Speisung der Antenne weist
diese symmetrische und vollkommen einwandfreie sowie im wesentlichen frequenzbeständige
horizontale wie auch vertikale Strahlungsdiagramme auf, die den Notwendigkeiten
aller zenitalen Bereiche entsprechen und dies für breite Brequenzbereiche der Antenne.
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Die genannten Einzelheiten und Eigenschaften der erfindungsgemäßen
Antenne werden nun unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen näher beschrieben.
Es bedeuten: Fig. 1 zeigt die Anordnung der Dipole einer erfindungsgemäßen allseitigen
Antenne mit einer horizontalen Ebene in schematischer Darstellung.
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Fig. 2 zeigt in schematischer Darstellung die Verteilung der Amplitude
und der Phase bei der Speisung der Dipole einer vertikalen Dipolanordnung einer
Antenne entsprechend Fig. 1.
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Fig. 3 zeigt in schematischer Darstellung eie alternative MöglichReit
der Verteilung der Amplitude und der Phase bei der Speisung der Dipole.
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Fign. 4, 5 und 6 zeigen drei horizontale Strahlungsdiagramme, die
für eine erfindungsgemäße allseitige Antenne errechnet sind und die abgesehen von
der entsprechend gestiegenen Frequenz untereinander gleich sind.
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Fig. 7 ist eine graphische Darstellung dreier vertikaler Strahlungsdiagramme,
die entsprechend den Bedingungen bei den Figuren 4 bis 6 errechnet sind Die erfindungsgemäße
allseitige Antenne hat, wie hier dargestellt, in an sich bekannter Weise ein Traggestell
10, welches beispielsweise die Form eines Eisengerüst-Turmes haben kann, der vier
Flächen hat, die im wesentlichen vertikal und senkrecht zueinander ausgerichtet
sind, wodurch ein Viereck gebildet wird. Jede der Seiten 12 bis 18 besitz eine sogenannte
Dipolebenenanordnung, das heißt eine bestimmte Anzahl von in senkrechten Abständen
in der gleichen Ebene angeordneten Dipolen.
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Entsprechend der Erfindung sind die genannten Dipolebenenanordnungen
bezüglich der Seiten 12 bis 18 zentriert und symmetrisch angeordnet, wie dies beispielsweise
aus dem Horizontalschnitt der Fig. 1 ersichtlich ist, woraus sich ergibt, daß die
Dipole 20 bis 26 zu ihren Seiten 12 bis 18 exakt zentriert sind. Außerdem werden
die den verschiedenen Anordnungen zugehörenden Dipole der gleichen Horizontalebene,
beispielsweise die Dipole 20 bis 26, untereinander in Phase gespeist, wie es schematisch
durch die Speiseleitungen 28 bis 34 von gleicher Länge in Fig. 1 dargestellt ist.
Weil die entsprechenden in der gleichen Horizontalebene liegenden Dipole der verschiedenen
Anordnungen somit eine zentrierte und symmetrische Anordnung aufweisen und untereinander
in Phase gespeist werden, sind die betreffenden horizontalen Strahlungsdiagramme
immer symmetrisch und tendieren zu einer Kreisform.
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Um die notwendige Impedanzanpassung zu bewirken und zusammen mit den
verschiedenen vorgenannten vorteilhaften Eigenschaften zufriedenstellende vertikale
Strahlungsdiagramme zu erhalten,
wird erfindungsgemäß auf die Speisecharakteristiken
der Dipole oder der Dipolgruppen aller Dipolanordnungen derart eingewirkt, daß die
Speisecharakteristiken der Dipolanordnungen untereinander exakt gleich sind. Genauer
gesagt, ist erfindungsgemäß ein veränderlicher Verlauf der Amplitudenzuteilung entlang
der vertikalen Strahlungsfläche der Antenne vorgesehen, das heißt entlang jeder
Dipolebenenanordnung, während außerdem eine Phasenverschiebung von 90° unter denwenigen
Dipolen oder Dipolgruppen vorgesehen ist, welche im wesentlichen einen gleichen
Bruchteil der Energie spenden und bezüglich einer horizontalen Ebene spiegelsymmetrisch
angeordnet sind, wodurch die Antenne scheinbar in zwei Teile aufgeteilt wird, die
eine gleiche Gesamt energie spenden.
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In den erläuterten Ausführungsbeispielen werden zwei mögliche Formen
der Amplitudenzuteilung berücksichtigt und zwar eine symmetrische Zuteilung (Fig.
2) und eine offene Zuteilung (Fig. 3).
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Bei der in Fig. 2 gezeigten symmetrischen Verteilung wird eine Dipolebenenanordnung
von 2n Dipolen und eine angenommene horizontale Ebene berücksichtigt, welche die
Dipole nenanordnung, und folglich die Antenne, in halber Höhe aufteilt. Die Dipole
K1, K2 ... Kns bzw. K'1, K'2 ... K'n sind bezüglich der Ebene -h spiegelsymmetrisch
angeordnet und werden mit gleichen Amplituden oder Leistungen gespeist, wobei sich
die Speiseleistung der Dipole beginnend an den zentralen Dipolen K1 und K'1 bis
zu den äußeren Dipolen Kn und E'n verringert. Die in Fig. 2 ausgezogen dargestellte
Linie X gibt diese Amplitudenverteilung schematisch wieder und ist eine stetige
Linie durch die die Speiseleistung eines jeden Dipols darstellenden Punkte.
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Ent-sprechend der Erfindung haben zwei sich in der Spiegelanordnung
zur Ebene h gegenüberliegende Dipole immer eine Phasenverschiebung von 900, wie
es in der Zeichnung angegeben ist. Ist beispielsweise der Dipol K1 mit der Phase
& gespeist, so ist der Dipol K'1 mit der Phase 8 t 900 gespeist, während die
Dipole K2 und K'2 dementsprechend mit den Phasen (?und p + 90° gespeist sind; und
so weiter bis zu den Dipolen Kn und K' n welche die Phasen Xr und t~+ 90° aufweisen,
selbstverständlich mit einer Phasenverschiebung von 90° in immer der gleichen Wichtung.
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Bei dem in der Fig. 3 dargestellten Fall ist die Amplitudenverteilung
durch eine fortlaufende Linie y dargestellt, welche eine sogenannte offene Verteilung
zeigt, und zwar von einem Minimum einer Dipolebenenanordnung zu einem Maximum eines
anderen Endteils, wobei die symmetrische Ebene l derart gelegt ist, daß sie die
Dipolebenenanordnung oder die Antenne in zwei Teile aufteilt, wobei im wesentlichen
jeder Teil in Bezug auf den anderen eine gleiche Gesamtleistung spendet. Praktisch
hat sich diese Ebene in 2/3 Höhe zur Dipol ebene zu befinden. Auch in diesem Fall
haben wir zur Ebene 1 symmetrisch angeordnete Dipole oder Dipolgruppen K1, K'1 K2,
K'2 K Kns K'ns die im wesentlichen die gleichen Leistungsbruchteile spenden und
untereinander eine Phasenverschiebung von 90° haben, so daß die Annahme einer bestmöglichen
theoretischen Verteilung das in Fig. 3 gezeigte ideale Speisungsschema erhalten
läßt, wo die Leistungen durch die Integration der Amplitudenverteilung y gegenüber
der Bezugslinie z bestimmt sind.
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Die genannte Phasenverschiebung von 900 kann bei einen Breitbanddipol
mittels eines bekannten Richtkopplers mit 3db erreicht werden, während sie bei schmälerem
Band erreicht werden kann, wenn die Länge der Speiseleitung jenes Antennenteils
variiert wird, welches sich auf einer Seite der
Symmetrieebene
Ii oder 1 befindet in Bezug auf die Länge der Speiseleitung des anderen antennenteils.
Wie andererseits offensichtlich ist, sind die Amplitudenverteilungen abhängig von
der in Wellenlängen gemessenen vertikalen St;rahlungsfläche und ändern sich dementsprechend.
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Es sei hervorgehoben, daf3 aus Gründen der besonderen Vertei -lung
von Amplitude und Phase, mit welcher die Antenne im Fall der Fig. 2 in tler Vertikalebene
gespeist wird, die Strahlungsdiagramme der beiden Antennenhälften untereinander
gleich sind und deswegen die antenne auch im Notfall weiterhin funktionieren kann,
wenn auch nur die eine oder andere Hälfte Anwendung findet, da nahezu die gleichen
Strahlungscharakteristikenwie bei einer voiiständigen Antenne erzielt; werden, dn
eine annähernde Verteilung von der Art, wie zu Fig. 3 angeführt ist, stattfindet,
Zur Demonstration der mit einer erfindungsgemäßen Antenne erreichbaren vorteilhaften
Resultate werden in den Fign. 4 bis 6 bzw. in Fig. 7 die horizontalen und vertikalen
Strahlungadiagramme einer mit vier zentrlerten und symmetrischen Dipolebenenanordnungen
ausgerüsteten und allseitig ausgerichteten Antenne gezeigt, wobei die untereinander
in der Phase korrespendierenden Dipole hinsichtlich der Zuteilung von Amp 1 i tude
und Phase e ine r Dipolebenenanordnung ent sp rechen, wie sie in Fig. 2 dargestellt
ist. Der Einfachheit halber wurden die dipolebenenanordnungen mit zwölf Dipolen
K1 und K'1 ... K'6 angenommen, die mit folgenden verhältnisgleichen Amplitudenwerten
gespeist wurden: K1, K'1 ....... 1,0000000 K2, K'2 ....... 0,7071070 K3, K'3 und
K4, K'4 ..... 0,5773500 K5' K'5 und K6' K'6. . . . . 0,4082480
Die
Dipolo K1 ... K6 sind mit der gleichen Fhase gespsist, wäbrond die Dipole K'1 ...
K'6 eine Phasenvo@schiabung von 90° in gleicher Richtung zu den vorhergehenden hah@n.
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Das horizontale Diagramm Ao der Fig. 4 und das vertikale Diagramm
der Fig- 7 wurden orhalten, Indem eine Im Vechältnlswert von 470 errechnets Froqucnz
zugrunde gelegt wurde. Das horizontale Diagramm Bo der Fig. 5 (hior nur teilweise
dargestellt, die andere Hälfte ist spiegelsymmetrisch) und das Diagramm Bv der Fig.
7 wunden. mit einer im Verhältuiswert von 650 errechneten Frequouz erhaiten, @ähsend
die hurlzontalen diagramme Go der Fig. 6 (Wio in Fig. 5 erhatten) @@d das vertlkale
Diagramm Cv der Fig. 7 sich auf eine orrechaete Frequenz mit cinom verhältniswert
von 860 bezichen. Aus diesen Diagrammen geht hervor, daß auch bei schr vorschindenen
Frequenzwerten die Symmetrin der horizontalen Dlagcamme ebense beibehalten ist,
wie auch die sehr gate Konstanz sowohl der horizontaien wie auch dec vertikalsm
Diagramme, @rotz aller Vereinfachungen hinsichtlich Anordnung und Werteitung. Noch
bessors Ergebnisse Lassen sich durch eine auffinlertere Verteilung, Hel as hinsichtlich
der amplituden oder soi us hiusichtlich der speisungsphason an den Dipolen, erzielen.
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Es wird hervorgehoben, daß, obwohl die Erfindun@ unter Bezugnahme
auf eine bevorzugte ausführungsform dargelegk und beschrieben wurde, daran Jene
Abänderungen und Varatlonen vorgenommen werden können, die Fachlaute für zweckmäßig
und angebracht halten, um letzthin dle erreichbaren Leistungen zu verbessern.