DE2718567A1 - Hf-antenne - Google Patents

Description

PATENTANWALT DIPL.-ING. H. STROHSCHÄNK

8000 MÖNCHEN 60 · MUSÄUSSTRASSE 5 · TELEFON (08p) 881608

26.4.1977-SFS(6) 253-1468P

True Temper Corporation

HF-Antenne

Die Erfindung betrifft eine HF-Antenne mit einem langgestreckten Schaft aus dielektrischem Material, in den zwischen einem Fußende und einem Kopfende elektrische Leiter eingebettet sind.

Allgemein bezieht sich die Erfindung auf Antennenstrukturen der freistehenden Bauart, die sich insbesondere für einen Einsatz in Verbindung mit mobilen Sender/Empfänger-Anlagen eignen, wie sie beispielsweise im Rahmen des privaten Funkverkehrs mit Kraftfahrzeugen Verwendung finden.

Antennen dieser Bauart müssen zunächst verschiedene elektrisehe Kriterien erfüllen, damit sie für den vorgesehenen Einsatzzweck brauchbar sind. So ist es übliche Praxis, derartige Antennen mit einer einem Viertel der Betriebswellenlänge entsprechenden elektrischen Länge auszubilden, da endseitig gespeiste Antennen mit einer derartigen elektrischen Länge angenähert im Resonanzbereich arbeiten. Da derartige Antennen üblicherweise über Koaxialkabel angeschlossen werden, die eine charakteristische Impedanz von normalerweise 52 Ohm aufweisen, ist es außerdem erwünscht, die Ausgangsimpedanz der Antenne an die Impedanz des zugehörigen Koaxialkabels anzupassen, um eine maximale Leistungs-Übertragung zu erzielen. Ein Beispiel für eine Antenne mit einer den vorstehend erwähnten Anpassungskriterien genügenden Impedanz ist in der US-PS 3 774 221 beschrieben, die eine Antennenstruk-

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tür zum Gegenstand hat, die elektrisch miteinander verbundene, geradlinig und schraubenlinienförmig verlaufende Leiterelemente aufweist, die in oder nahe dem Kern einer zusammengesetzten Antenne eingebettet sind.

Antennen der obenerwähnten Art sollten zusätzlich noch einer Reihe weiterer physikalischer Kriterien genügen. Normalerweise werden diese Antennen in aufrechter Stellung betrieben, wobei sie an ihrem Fußende mit einem Kraftfahrzeug verbunden sind und ein freies Kopfende aufweisen. Normalerweise sind solche Antennen daher erheblichen und variierenden dynamischen Belastungen ausgesetzt, die in erster Linie auf die Bewegung des Kraftfahrzeuges und den sich daraus ergebenden Windwiderstand zurückzuführen sind. Diese Antennen sollten daher stark und dennoch flexibel sein. Es sind bereits verschiedene Antennenkonstruktionen aus Kunststoff mit GlasfaserverStärkung bekannt, die diese physikalischen Kriterien befriedigen sollen. So ist in der US-PS 3 541 567 eine Antennenstruktur beschrieben, die aus einer verfestigten Matrix aus Kunstharz besteht, in die eine Mehrzahl von langgestreckten elektrischen Leitern eingebettet ist. An ihrem einen Ende ist diese Antennenstruktur in eine Montagehülse aus Metall mit einem zentralen Anschluß eingeschoben, wobei die Enden der Leiter durch eine öffnung im Kern hindurchgehen und mit dem Montagering verlötet sind. Auch die Antenne gemäß der bereits obenerwähnten US-PS 3 774 221 weist einen Körper aus einer Kunstharzmatrix auf, dessen mechanische Eigenschaften hinsichtlich Biegefestigkeit und Elastizitätsmodul so gewählt sind, daß er den bei einem Betrieb auf einem Kraftfahrzeug zu erwartenden statischen und dynamischen Belastungen standzuhalten vermag. Dazu ist diese Kunstharzmatrix aus einem thermisch härtbaren Polyester oder einem Epoxyharz gebildet, und sie enthält Stränge von Glasfasern, die über den gesamten Antennenkörper verteilt sind. Des weiteren ist eine Antennenstruktur vorgeschlagen worden, die einen langgestreckten Körper, einen zu elektrischer Verbindung mit einer

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auf diesem Körper angeordneten elektrisch leitenden Wicklung auf der Außenseite dieses Körpers angeordneten geradlinig verlaufenden elektrischen Leiter und eine die Wicklung umgebende Hülle aus Kunststoff aufweist. Diese letztgenannte Konstruktion ist nicht nur im praktischen Gebrauch sehr wirksam, sie erleichtert auch die Herstellung derartiger Antennen erheblich, da die leitenden Elemente auf der Außenseite der Antenne angeordnet sind.

Die große Popularität der Sende- und Empfangsanlagen für den mobilen Privatfunk und die damit verbundene Zunahme in der Anzahl der Kanäle für die Nachrichtenübertragung macht die Entwicklung von Antennen wünschenswert, die verbesserte elektrische und mechanische Eigenschaften aufweisen, wobei insbesondere der Wunsch besteht, derartige Antennen abstimmbar zu machen, um ihre Resonanzfrequenz einstellen zu können.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine HF-Antenne der eingangs erwähnten Art so auszubilden, daß sie bei allgemein verbessertem mechanischem und elektrischem Verhalten eine hohe Übertragungsleistung aufweißt, leicht und mit geringen Kosten herstellbar ist und bequem in ihrer Resonenζfrequenz abgestimmt werden kann.

Die gestellte Aufgabe wird erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß ein erster und ein zweiter elektrischer Leiter vorgesehen sind, die am Fußende des Schaftes elektrisch miteinander verbunden, an seinem Kopfende jedoch elektrisch gegeneinander isoliert sind und erste und zweite, im allgemeinen geradlinig und elektrisch gegeneinander isoliert entlang der Außenfläche eines ersten Abschnittes des Schaftes verlaufende Leiterabschnitte sowie damit elektrisch verbundene erste und zweite Wicklungen aufweisen, die sich elektrisch gegeneinander isoliert jund um die Außenfläche eines zweiten Abschnittes des Schaftes erstrecken.

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In bevorzugter Ausbildung führt die Erfindung zu einer Antenne, die einen langgestreckten Schaft aus dielektrischem Material und erste und zweite Leiter aufweist, die am Fußende des Schaftes elektrisch miteinander verbunden, im übrigen Bereich der Antenne jedoch elektrisch gegeneinander isoliert sind. Dabei weist jeder dieser beiden elektrischen Leiter je einen im allgemeinen geradlinig verlaufenden und an einem ersten Abschnitt des Schaftes wie beispielsweise dem an dessen Fußende anschließenden Abschnitt angeordneten Leiterabschnitt sowie je eine um einen zweiten Abschnitt des Schaftes wie beispielsweise den an sein Kopfende anschließenden Abschnitt herumgelegte Wicklung auf. Diese beiden Wicklungen bilden miteinander eine Zweiwicklungsspule, und sie nehmen den gleichen Abschnitt des Schaftes ein, wobei sie jedoch elektrisch gegeneinander isoliert sind und elektrische Verbindung nur zu den jeweils zugehörigen geradlinigen Leiterabschnitten aufweisen. Außen ist der die Wicklungen enthaltende Abschnitt der Antenne mit einer Hülle aus dielektrischem Material abgedeckt, und am Fußende der Antenne ist eine zu ihrer Befestigung dienende Muffe vorgesehen. Am Kopfende der Antennen können elektrisch mit deren Leitern verbundene, bewegliche Abstimmglieder vorgesehen sein, die eine selektive Veränderung der Resonanzfrequenz der Antenne gestatten.

Im übrigen sind vorteilhafte Ausgestaltungen und Weiterbildungen der Erfindung in Unteransprüchen im einzelnen gekennzeichnet.

In der Zeichnung ist die Erfindung beispielsweise veranschaulicht; es zeigen:

Fig. 1 bis 3A drei bevorzugte Ausführungsbeispiele für die Erfindung in Form von zur Veranschaulichung des jeweiligen Innenaufbaues teilweise aufgeschnittenen Seitenansichten (Fig. 1, 2 und 3) bzw. elektrischen Ersatzschaltbildern (Fig. 1A, 2A und 3A),

Fig. 4 eine in größerem Maßstab gehaltene und wiederum teilweise aufgeschnittene Seitenansicht des

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Fußendes der in Fig. 1 bis 3 gezeigten Antennen und

Fig. 5 einen Querschnitt durch jede der drei Antennen von Fig. 1 bis 3 entlang der Schnittlinien 5-5 in Fig. 1 bis 3.

Die drei unten beschriebenen Ausführungsbeispiele für die Erfindung stellen scheitelbelastete HF-Antennen dar, die sich insbesondere für eine vertikale Montage auf einem Kraftfahrzeug eignen. Alle drei Antennen weisen einen Schaft auf, der aus einem dielektrischem Material mit hinreichender Festigkeit und Flexibilität wie beispielsweise einem glasfaserverstärkten Kunststoff hergestellt ist, und weiter besitzen sie erste und zweite Leiter, die auf der Außenfläche dieses Schaftes angeordnet sind. Diese Leiter sind am Fußende des Schaftes elektrisch miteinander verbunden und weisen jeweils im Anschluß an das Fußende des Schaftes einen geradlinigen Leiterabschnitt und einen damit verbundenen und an das Kopfende des Schaftes anschließenden Wicklungsabschnitt auf. Die Wicklungsabschnitte beider Leiter bilden gemeinsam eine zweifach gewickelte oder bifilare Spule. Zwei der unten beschriebenen Ausführungsbeispiele weisen am Kopfende der jeweiligen Antenne angeordnete bewegliche Abstimmglieder auf, die eine selektive Veränderung der Resonanzfrequenz der jeweiligen Antenne ermöglichen.

In Fig. 1 ist eine Antenne 1 dargestellt, die einen Schaft 2, einen ersten Leiter 3 und einen zweiten Leiter 4 aufweist. Der Schaft 2 besitzt einen Fußabschnitt 5, der in einer Fußmuffe 7 festgelegt ist, und einen Kopfabschnitt 9, der in einer Kopfhülse 11 fixiert ist. Die beiden Leiter 3 und 4 sind an der Außenfläche des Schaftes 2 angeordnet, und eine Hülle 13 aus dielektrisehem Material überzieht die Außenfläche des Schaftes 2 unter Einschluß der unten noch im einzelnen beschriebenen Wicklungsabschnitte der Leiter 3 und 4. Die Hülle 13 kann mit Vorteil ein dünnes Kunststoffrohr sein, das durch einen geeigneten Schrumpfprozeß aufgebracht ist. Am Fußende der Antenne 1 sind

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die beiden Leiter 3 und 4 elektrisch miteinander verbunden, wie dies in Fig. 1 und 4 durch eine Verdrillung 19 angedeutet ist, an allen anderen Stellen der Antenne 1 sind die Leiter 3 und 4 dagegen elektrisch voneinander isoliert.

Die beiden Leiter 3 und 4 sind einander in ihrem Aufbau ähnlich. So weist der erste Leiter 3 einen an der Oberfläche eines ersten Abschnittes des Schaftes 2 im Anschluß an das Fußende der Antenne 1 angeordneten, geradlinig verlaufenden Leiterabschnitt 21 und eine Wicklung 23 auf, die mit dem Leiterabschnitt 21 an einer Lötstelle 25 elektrisch verbunden ist. Die Wicklung 23 ist eine schraubenlinienförmige Wicklung, die, wie unten noch näher erläutert, einen Teil einer doppelten oder bifilaren Spule bildet, die sich von der Verbindungsstelle mit dem geradlinigen Leiterabschnitt 21 bis zum Kopfende der Antenne 1 erstreckt.

Mit Vorteil kann die Wicklung 23 am Kopfende der Antenne 1 mit einem kurzen geraden Abschnitt 27 enden. Der zweite Leiter 4 weist in entsprechender Weise einen geraden Leiterabschnitt 29, eine Wicklung 31, eine Lötstelle 33 und einen geraden Abschnitt 35 auf. Die geraden Leiterabschnitte 21 und 29 der beiden Leiter 3 und 4 liegen auf einander entgegengesetzten Seiten des Schaftes 2, und die beiden Wicklungen 23 und 31 bilden miteinander die obenerwähnte doppelte Spule. Dabei sind die beiden Wicklungen 23 und 31 mit Hilfe eines isolierenden Oberzuges auf wenigstens einer davon elektrisch gegeneinander isoliert.

Die endseitigen Abschnitte 29 und 35 der Wicklungen 23 und 31 liegen wiederum auf entgegengesetzten Seiten des Schaftes 2.

Die Fußmuffe 7 kann von bekannter Bauart sein, und sie kann insbesondere einen verchromten Messingkörper aufweisen. Mit ihrer Verdrillung 19 gehen die beiden Leiter 3 und 4 durch eine zentrale Bohrung 37 in der Fußmuffe 7 hindurch, wobei sie durch eine Lötverbindung 39 abgedichtet festgehalten werden. Zur Befestigung der Antenne 1 in vertikaler Stellung in einer geeigneten

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öffnung an einem Kraftfahrzeug ist die Fußmuffe 7 mit einem Außengewinde 41 und einer Ringnut 43 versehen.

Am Kopfende der Antenne 1 sind zwei Abstimmglieder 45 und vorgesehen, mit deren Hilfe sich die Resonanzfrequenz der Antenne 1 selektiv einstellen läßt. Die Abstimmglieder 45 und sind in der Kopfhülse 11 der Antenne 1 und den damit zusammenwirkenden Bauteilen so geführt, daß sie sich in Kontakt mit den jeweils zugeordneten Leitern 3 bzw. 4 in Längsrichtung verschieben lassen. Dazu enthält die Kopfhülse 11 eine Ausnehmung 49 mit einem blinden Ende und einer engen Bohrung sowie eine dazu koaxiale Ausnehmung 51 mit einer weiteren Bohrung. Auf der Schul* ter zwischen den beiden Ausnehmungen 49 und 51 sitzt ein Einsatz 53 auf, der vorzugsweise als verchromter Messingkörper mit äußerer Riefelung ausgeführt ist und eine zentrale Bohrung 55 aufweist. Die Bohrung 55 ist so bemessen, daß sie eine Gleitführung für das Abstimmglied 45 bildet, und quer zur Bohrung 55 geht durch den Einsatz 53 eine Madenschraube 57 hindurch, die in angezogenem Zustand das Abstimmglied 45 in der jeweils gewählten Stellung in der Bohrung 55 festhält, nach ihrem Lösen jedoch eine Verstellung des Abstimmgliedes 45 entlang der Bohrung 55 gestattet. Der Einsatz 53 steht in Berührung mit dem endseitigen Abschnitt 27 des ersten Leiters 3, so daß das Abstim^glied 45 elektrische Verbindung zu diesem Leiter 3 hat. Um diesen elektrischen Kontakt zu gewährleisten, ist es zweckmäßig, den Abschnitt 27 des Leiters 3 mit dem Einsatz 53 zu verlöten. Das Abstimmglied 45 kann bequem aus einem geraden Stahldraht hergestellt werden, und an seinem freien Ende kann eine Perle 59 aus Kunststoff angebracht werden, um das spitze Ende dieses Drahtes zu verdecken.

Das Abstimmglied 47 steht in elektrischer Verbindung mit dem Abschnitt 35 des zweiten Leiters 4. Die zur Montage des Abstimmgliedes 47 vorgesehene Struktur entspricht den insofern

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in Verbindung mit dem Abstimmglied 45 vorgesehenen Elementen, und sie umfaßt eine erste Ausnehmung 61, eine dazu koaxiale und weitere Ausnehmung 63, einen leitenden Einsatz 65 mit einer zentralen Bohrung 67 für die Aufnahme des Abstimmgliedes 47, eine Madenschraube 69 und eine schützende Perle 71. Die Abstimmglieder 45 und 47 lassen sich unabhängig voneinander verschieben, um die jeweils zugehörigen Leiter 3 und 4 zur Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne 1 zu verlängern oder zu verkürzen. In Fig.1A sind die elektrischen Bauteile der Antenne 1 in schematischer Schaltbildform dargestellt.

Fig. 2 zeigt eine Antenne 1', die in ihrem allgemeinen Aufbau der Antenne 1 von Fig. 1 mit der Ausnahme entspricht, daß sie nur ein einziges Abstimmglied 45* besitzt. Zur Vereinfachung der Darstellung sind daher Bauteile der Antenne 1* von Fig. 2, die in der Antenne 1 von Fig. 1 ein Gegenstück besitzen, mit der gleichen Bezugszahl unter Beifügung eines Indexstriches C) bezeichnet.Für die Aufnahme des Abstimmgliedes 45* ist bei der Antenne 1' eine Kopfhülse 73 vorgesehen, die als verchromter Messingkörper mit einer zentralen Bohrung 75 ausgeführt ist.

Ober eine Lötverbindung 77 ist die Kopfhülse 73 mit dem Ende lediglich des ersten Leiters 3¹ verbunden, während sie gegenüber dem zweiten Leiter 4¹ elektrisch isoliert ist. Der elektrische Aufbau der Antenne 1' von Fig. 2 ist in Fig. 2A schematisch wiedergegeben.

Fig. 3 zeigt eine einfachere Ausführungsform in der Erfindung ohne bewegliche Abstimmglieder. Den Bauteilen der Antenne 1 von Fig. 1 entsprechende Bauteile der in Fig. 3 dargestellten Antenne 1" sind wiederum mit den gleichen Bezugszahlen unter Beifügung eines doppelten Indexstriches (") bezeichnet. Die Kopfhülse der Antenne 1" in Fig. 3 ist lediglich als einfache Kappe 79 aus dielektrischem Material ausgeführt. Das der Antenne 1" von Fig. 3 entsprechende Schaltbild ist in Fig. 3A gezeigt.

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Für die elektrisch leitenden Teile der oben beschriebenen Antennen ist eine Anordnung an der Außenfläche des Antennenschaftes angegeben. Diese Beschreibung ist so zu verstehen, daß die Leiter der Antennen außerhalb der Außenfläche des Antennenschaftes oder, wie in Fig. 5 gezeigt, im Anschluß an diese Oberfläche angeordnet sind, wobei in beiden Fällen die aus dielektrischem Material bestehende äußere Hülle außer Betracht bleibt. Die in Fig. 5 verwendeten Bezugszahlen für die Leiter und den Antennenschaft entsprechen zwar den in Fig. 1 verwendeten Bezugszahlen, die Darstellung in Fig. 5 gibt jedoch in gleicher Weise auch den Aufbau der anderen oben beschriebenen Ausführungsbeispiele wieder.

Wie die vorstehende Beschreibung bevorzugter Ausführungsbeispiele zeigt, lassen sich die mit der Erfindung angestrebten Ziele tatsächlich erreichen. Im vorstehenden ist eine HF-Antenne mit verbesserten mechanischen und elektrischen Eigenschaften beschrieben, die eine hohe Übertragungsleistung zeigt. Zwei der oben beschriebenen Ausführungsbeispiele enthalten Vorkehrungen für eine einfache Einstellung der Resonanzfrequenz der jeweiligen Antennen. In dieser Hinsicht ist es bemerkenswert, daS die verwendeten Abstimmglieder sich leicht verstellen und nötigenfalls ersetzen lassen. Die vorstehend beschriebenen Antennen erweisen sich als wirkungsvoll im Betrieb und als wirtschaftlich in ihrer Herstellung.

Patentansprüche:

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Claims (11)

1J HF-Antenne mit einem langgestreckten Schaft aus dielektrischem Material, in den zwischen einem Fußende und einem Kopfende elektrische Leiter eingebettet sind, dadurch gekennzeichnet, daß ein erster und ein zweiter elektrischer Leiter (3, 4) vorgesehen sind, die am Fußende des Schaftes (2) elektrisch miteinander verbunden, an seinem Kopfende jedoch elektrisch gegeneinander isoliert sind und erste und zweite, im allgemeinen geradlinig und elektrisch gegeneinander isoliert entlang der Außenfläche eines ersten Abschnittes des Schaftes verlaufende Leiterabschnitte (21,29) sowie damit elektrisch verbundene erste und zweite Wicklungen (23, 31) aufweisen, die sich elektrisch gegeneinander isoliert rund um die Außenfläche eines zweiten Abschnittes des Schaftes erstrecken.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten geradlinig verlaufenden Leiterabschnitte (21, 29) auf entgegengesetzten Seiten des ersten Abschnittes des Schaftes (2) angeordnet sind.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß das dielektrische Material des Schaftes (2) Glasfasern enthält.

4. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die ersten und zweiten Wicklungen (23, 31) zur Ausbildung einer doppeltgewickelten Spule rund um den gleichen Abschnitt des Schaftes (2) miteinander verschlungen sind.

5. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit einem der beiden Leiter (3, 4) ein erstes Abstimmglied (45') elektrisch verbunden ist, das relativ zu diesem Leiter zur Änderung der Resonanzfrequenz der Antenne (1¹) selektiv bewegbar ist (Fig. 2 und 2A).

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6. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß zur Aufnahme des Abstimmgliedes (45') eine Hülse (73) vorgesehen ist, die das Abstimmglied unter ständiger Aufrechterhaltung des elektrischen Kontaktes zu dem zugeordneten Leiter (3¹) gleitend verschiebbar führt (Fig. 2).

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß mit den beiden Leitern (3, 4) je ein Abstimmglied (45, 47) elektrisch verbunden ist und die beiden Abstimmglieder (45, 47) am Kopfende der Antenne (1) zur Änderung von deren Resonanzfrequenz relativ zu dem jeweils zugeordneten Leiter bewegbar geführt sind (Fig. 1).

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopfende der Antenne (1) eine die Abstimmglieder (45, 47) unter Aufrechterhaltung der elektrischen Verbindung zu den jeweils zugeordneten Leitern (3, 4) verschiebbar aufnehmende Kopfhülse (11) vorgesehen ist (Fig. 1).

9. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß am Kopfende der Antenne (1") eine dieses Kopfende überdeckende Kappe (79) aus dielektrischem Material angeordnet ist, welche die beiden Leiter (3", 4") am Kopfende der Antenne gegeneinander isoliert (Fig. 3).

10. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß die Außenfläche des Schaftes (2) zum Schütze der ersten und der zweiten Wicklungen (23, 31) mit einem Oberzug (13) aus dielektrischem Material abgedeckt ist (Fig. 1).

11. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß der erste Abschnitt des Schaftes (2) mit den geraden Leiterabschnitten (21, 29) im Anschluß an das Fußende und der zweite Abschnitt des Schaftes (2) mit den Wicklungen (23, 31) im Anschluß an das Kopfende des Schaftes (2) angeordnet ist.

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