DE2751840C2 - Antenne mit elektrostatisch geerdetem, selbststrahlendem Mast - Google Patents

Description

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η der Wirkungsgrad der Anlage aus Antenne und

Abstimmelementen,
B die Bandbreite der Anlage aus Antenne und

Abstimmelementen,
Pu die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spannung an einer bestimmten Stelle

der Antenne,
P, die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert des Stromes an einer bestimmten Stelle

der Antenne,
k\, fa, kz, fa, ks nichtnegative Konstante, die je nach Ausführung und Anwendung der Antenne gewählt werden können,

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bezeichnet sind.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pu die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spannung am Speisepunkt der Antenne ist.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pu die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert der Spannung an den Isolatoren der Abspannseile ist.

5. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß Pi die abgestrahlte Leistung bei einem bestimmten Wert des Stromes am Speisepunkt der Antenne ist.

6. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) so innerhalb des Bereiches vom Erdboden (3) bis -dreiviertel der Abspannseillänge angeordnet ist.

7. Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß der Isolator (5) nur durch seine unvermeidliche Kapazität überbrückt ist.

8. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß an zwei unterschiedlichen Höhen des Mastes Abspannseile (4) angebracht sind.

9. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoren (5) unterhalb derjenigen Höhe angeordnet sind, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich maximaler Wirkungsgrad η ergeben würde.

10. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekenn^ zeichnet, daß die Isolatoren (5) unterhalb derjenigen Höhe angeordnet sind, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich maximale abgestrahlte Lei-

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stung P, ergeben würde.

11. Antenne nach Anspruch 9 oder 10, dadurch gekennzeichnet, daß die Jsolatoren (5) oberhalb derjenigen Höhe angeordnet sind, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich ein Maximum für das Produkt η ■ B ergeben würde.

12. Antenne nach Anspruch 9,10 oder 11, dadurch gekennzeichnet, daß die Isolatoren (5) oberhalb derjenigen Höhe angeordnet sind, bei deren Wahl als Isolatorhöhe (z) sich ein Maximum für die abgestrahlte Leistung P_u ergeben würde.

13. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß sie eine zusätzliche Dachkapazität trägt.

14. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abspannseile (4) in einer solchen Höhe («z_p) über einen Fußpunktisolator (2) des Mastes (1) elektrisch leitend mit dem Mast (1) verbunden sind, daß dessen unterer Abschnitt kleiner ist als ein Viertel der BetriebsweHenJänge λ im freien Raum.

Die Erfindung betrifft eine Antenne, wie im Oberbegriff des Patentanspruches 1 .ingegeben. Ihr Hauptanwendungsgebiet sind Sendeantennen für Langoder Längstwellen. Bei diesen Betriebswellenlängen werden Maste verwendet, deren Höhe h nicht größer ist als ungefähr ein Viertel der Betriebswellenlänge λ. Meist ist sogar h< λ. Die der Erfindung zugrundeliegenden Probleme treten bevorzugt bei tiefen Frequenzen und großen Masthöhen sowie bei großer Sendeleistung und dementsprechend hohen Hochfrequenzspannungen auf.

Selbststrahlende Maste werden üblicherweise so konzipiert, daß nur der Mast und gegebenenfalls eine an seiner Spitze angebrachte Dachkapazität als Strahler wirken. Die zum mechanischen Halten erforderlichen Abspannseile sollen die Hochfrequenzfunktion möglichst wenig beeinflussen, d. h. auf ihnen soll kein Strom oder ein im Vergleich zum Maststrom vernachlässigbar kleiner Strom fließen. Diese Bedingung wird von der üblichen Ausführungsform der Abspannseile als Stahlseile, die durch Isolatoren in kleine Stücke unterteilt sind, erfüllt (DE-PS 7 31 312). Insbesondere bei hohen Masten treten aber noch zusätzliche Probleme auf, wenn bei sehr hohen elektrostatischen Feldstärken, wie sie beispielsweise bei Gewittern vorkommen können, an den Isolatoren elektrostatische Spannungen auftreten, die zu Isolatorüberschlägen führen.

Zur Abhilfe wurde bisher versucht, das Auftreten statischer Spannungen dadurch zu verhindern, daß die als Isolatoren verwendeten Isolator-Gehänge mit Ableit-Widerständen überbrückt wurden, die einen mit wachsender Spannung fallenden Gleichstrom-Widerstand haben, hochfrequenzmäßig jedoch sehr hochohmig sind. Es hat sich allerdings gezeigt, daß deren Haltbarkeit gering ist, so daß sie häufig ausgewechselt werden müssen.

Bei einer anderen Abspannung, die in einer Höhe von etwa λ/4 am Mast angreift, ist ein nicht isoliertes, elektrisch leitendes Seil mit Mast und Erde leitend verbunden worden (französische Patentschrift 15 57 855). Antenne und Abspannseile wirken hier als eine Art Faltmonopol. Diese Art der Abspannung hat den Nachteil, daß auf den Seilen ziemlich große Ströme

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fließen, welche die Strahlungscharakteristik stark beeinflussen. Außerdem ist diese Abspannung bei Masten, die kürzer als λ/4 sind, nicht anwendbar.

Die Abspannung von Antennenmasten mit Kunststoffseilen (DE-OS 18 16 036, S. 6, Zeile IC), die versucht wurde, hat sich nicht bewährt, wenn große Hochfrequenzleistungen verwendet werden. Es ist dann nämlich möglich, daß· — beispielsweise infolge von Verschmutzung der Seiloberfläche — Koronaentladungen oder Lichtbögen auftreten, welche die Seile zerstören können.

In der DT-AS 10 55 062 sind Verspannungen für einen selbstschwingenden Antennenmast beschrieben, bei denen die Isolatoren räumlich so angeordnet sind, daß ein großer Teil der Verspannungen elektrisch leitend mit zum Antennenmast gehört

Dies wird dadurch erreicht, daß die Isolatoren der Verspannungen in im Vergleich zur Masthöhe geringer Höhe über dem Erdboden so angebracht sind, daß der größte Teil jeder Verspannung in elektrisch leitender Verbindung mit dem Mast steht und daß die unteren Enden der leitend mit dem Mast verbundenen Verspannungsteile z. B. dicht oberhalb der Isolatoren durch zusätzliche Leiter mit dem Mastfuß und/oder untereinander verbunden sind. Dadurch wird erreicht, daß die Zahl der erforderlichen Pardunenisolatoren minimal ist und die Isolatoren herabgesetzte Spannungen aufzunehmen haben, weil die unteren Teile einer Antenne in den meisten Fällen geringere Spannung führen als die Antennenspitze. Wegen der großen Kapazität, welche die Verbindungsleiter, die in im Vergleich zur Masthöhe geringer Höhe über dem Erdboden angebracht sind, gegen Erde haben, wird die effektive Höhe der Antenne erheblich verkleinert. Das ist von Nachteil. Darüber hinaus ist die Anbringung der Verbindungsleiter besonders bei hohen Antennen für große Wellenlängen mit einem großen Herstellungsaufwand verbunden.

Schließlich isi in der DT-OS 25 24 052 eine Abspannung eines elektrostatisch geerdeten Antennenmastes to angegeben, bei der die Isolatoren in den leitenden Abspannseilen durch Überbrückungselemente überbrückt sind, deren Gleichstromwiderstände klein sind im Vergleich zu den Isolationswiderständen und deren • Hochfrequenz-Impedanzen einen solchen Wert haben, idaß die durch Kopplung mit der Antenne auf den ι Seilstücken angeregten Hochfrequenzströme die Strahlungscharakteristik und die Impedanz der Antenne nur geringfügig nachteilig beeinflussen, was insbesondere dann erreicht wird, wenn die Pardunen so gegenüber ihrem Resonanzzustand verstimmt sind und daher so kleine Ströme führen, daß sie hochfrequenzmäßig die Antennenwirkung nur vernachlässigbar wenig beeinflussen.

Ausgehend von Merkmalen der oben angeführten DE-PS 7 31312 besteht die Aufgabe der Erfindung darin, Isolatorüberschiäge infolge elektrostatischer Spannungen mit möglichst einfachen Mitteln zu verhindern, wobei gleichzeitig die Möglichkeit einer solchen Dimensionierung der Antenne gegeben sein soll, daß sich die Wirkungsweise der Antenne nicht wesentlich verschlechtert.

Erfindungsgemäß wird diese Aufgabe durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Weiterbildungen sind in den Unteransprüchen angegeben.

Die Vorteile der Erfindung ergeben sich -aus folgenden Überlegungen:

Bei der erfindungsgernäßen Ausführung der Antenne mit Abspannseilen mit jeweils nur einem einzigen Isolator kann am Isolator keine elektrostatische Spannung auftreten, weil beide Teils des Abspannseils statisch geerdet sind, das eine Teil über den Mast und das andere über das Pardunen-Fundament Früher benutzte elektrische Überbrückungselemente (z.B. Spulen) zum Abbau elektrostatischer Spannungen am Isolator sind daher überflüssig.

Hinsichtlich des Hochfrequenzverhaltens wird das Abspannseil in die Funktion der Antenne mit einbezogen. Infolge der Isolatorkapazität und der verteilten Kapazität zwischen den beiden Abspannseilstücken fließt zwar auf dem Abspannseil ein Strom in entgegengesetzter Richtung wie auf dem Mast; er vermindert die effektive Höhe der Antenne und ist insofern nachteilig. Wird der Isolator aber nicht in unmittelbarer Nähe des Mastes angeordnet, sondern beispielsweise innerhalb des Bereiches vom Erdboden bis dreiviertel der Abspannseillänge, so wirkt das Abspannstilstück zwischen dem Mast und dem Isolator wie eine Dachkapazität, auch wenn es am Mast nicht unmittelbar an der Mastspitze, sondern merklich . unterhalb der Mastspitze befestigt ist Diese zusätzliche »Dachkapazität« hat einen vorteilhaften Einfluß auf die Hochfrequenzfunktion der Antenne besonders wenn die Antennenhohe klein im Vergleich zur Betriebswellenlänge λ ist, und wirkt dem Nachteil der Verminderung der effektiven Höhe entgegen. Für mehrere charakteristische Größen (z. B. Wirkungsgrad, Bandbreite, Fußpunktspannung) können sich sogar günstigere Werte ergeben als für einen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamer Abspannung, bei der die Abspannseile mehrfach mit Isolatoren unterteilt sind.

Hohe Maste werden in mehreren Höhen abgespannt. Die dachkapazitätsähnliche Wirkung eines Abspann-.seils tritt umso mehr hervor, je weiter oben das Seil am Mast angreift. Aber auch für die unteren Seile läßt sich die Erfindung vorteilhaft anwenden; bei erfindungsgemäßer Anordnung des Isolators erhält man beispielsweise bei der Betriebsfrequenz / für die Bandbreite B und den Wirkungsgrad η ungefähr gleiche Werte wie für einen gleichen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamer Abspannung.

Durch die Erfindung lassen sich die Kosten für die Isolation bei großer Betriebssicherheit sehr gering halten.

Anhand der Zeichnungen wird die Erfindung im folgenden noch näher erläutert.

F i g. 1 zeigt einen selbststrahlenden Mast, bei dem die Abspannseile in bekannter Weise mit Isolatoren unterteilt sind.

F i g. 2 stellt einen selbststrahlenden Mist dar, wobei die Abspannseile entsprechend der Erfindung jeweils nur einmal isoliert sind.

Fig.3 zeigt charakteristische Größen für eine Antennenanlage mit einem Mast nach F i g. 2, der am Fußpunkt gespeist ist, in Abhängigkeit von der Höhe ζ der Abspannisolatoren unter bestimmten, weiter unten angegebenen Voraussetzungen.

In F i g. 1 ist die Höhe des Mastes 1 auf der Ordinatenachse ζ mit h angegeben. Der Mast ist durch einen Fußpunktisolator 2 gegenüber dem Potential der Erdt 3 isoliert und wird am Fußpunkt gespeist. Zwei Abspannseile 4 sind zwar elektrisch leitend mit dem Mast einerseits und der Erde 3 andererseits verbunden, aber mehrfach durch Isolatoren 5 unterteilt. Eine solche Anordnung ist bekannt.

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Geometrisch ähnlich ist der Aufbau der F i g. 2, wobei zusätzlich die Höhe z=z_p angegeben ist, in welcher der Mast 1 mit Abspannseilen 4 abgespannt ist. Jedoch ist jedes Abspannseil 4 jeweils nur durch einen einzigen Isolator 5 unterteilt, dessen Höhe über dem Erdboden 3 mit der laufenden Ordinat^nbezeichnung ζ angegeben ist. Der Isolator ist elektrisch nicht überbrückt. (Die beiden Abspannseilstücke sind also für Gleichstrom nichtleitend miteinander nur durch den Isolator verbunden, der allerdings eine unvermeidliche Kapazität aufweist.)

Die Höhe Zp, in welcher der Mast 1 nach drei Richtungen abgespannt ist (es sind aber nur zwei Abspannseile 4 sichtbar), beträgt 0,8 h.

Fig.3 zeigt nun für das in Fig.2 dargestellte Ausführungsbeispiel der Erfindung die Abhängigkeit mehrerer charakteristischer Größen von der auf die Abspannhöhe z_p bezogenen Isolatorhöhe z. Die Isolatorhöhe ζ ist bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel für alle drei Abspannseile dieselbe. Die Kurvenzüge in F i g. 3 sind für eine Frequenz berechnet, bei der h=λ/12 ist, wobei λ die Betriebswellenlänge im freien Raum ist. Zusätzlich ist der Erdwiderstand formt 0,5 Ohm und der Abstimmittel-Verlustwiderstand in Form eines Serienwiderstandes Rl mit 0,002 · \X\ angenommen worden, wobei Xdie Speisepunktreaktanz ist.

Der Wirkungsgrad η ergibt sich als Verhältnis der abgestrahlten Leistung zu der Leistung, die der Anlage, die aus Antenne und Abstimmitteln besteht, zugeführt wird unter Berücksichtigung der Erdverluste und der Verluste in den Abstimmitteln. Die Erdverluste können durch einen Serienwiderstand Re, die Abstimmmittelverluste durch einen Serienwiderstand Rl ausgedrückt werden. Nimmt man den Strahlungswiderstand Rs und den Speisestrom Isp, so ist die abgestrahlte Leistung

Aus beiden Gleichungen ergibt sich das Produkt aus Bandbreite B und Wirkungsgrad /, zu

und die zugeluhrte Leistung
P=(R_S+R_E+R_L) -β,,;
daher ist der Wirkungsgrad

_ Rs R_S+R_E+R_L '

Für eine Antenne, die kurz im Vergleich zur Betriebs wellenlänge ist, ist die 3 dB-Bandbreite B näherungs weise durch die Speisepunktreaktanz X und den Ge samtwiderstand bestimmt nach der Gleichung

B = f ^

' ' IXI '

diese Größe ist unabhängig von den Verlustwiderständen 7?eund Rl-

ι ο Diese drei Größen (zum Teil auf die Betriebsfrequenz / bezogen) und zusätzlich die abgestrahlte Leistung P₁ für den Speisestrom 0,8 Ampere sowie die abgestrahlte Leistung P_u für eine Fußpunktspannung von 200 V sind in Fig. 3 dargestellt in Abhängigkeit von z/z_p (normierte Isolatorhöhe). Außerdem sind rechts im Diagramm diejenigen Werte eingetragen, die für einen Mast ohne Abspannseil errechnet wurden (d.h. praktisch: für einen Mast mit hochfrequenzmäßig unwirksamen Abspannseilen, beispielsweise nach Fig. 1).

F i g. 3 läßt erkennen, daß bei Isolatorhöhen ζ von weniger als der halben Abspannhöhe z_p alle dargestellten Kurvenzüge ihr Maximum haben. Wenn also für den im Patentanspruch 1 angeführten Ausdruck

k\ ■ η + ki ■ B+kz ■ r}B+k< ■ P_u+k₅ ■ P,

wobei / die Betriebsfrequenz ist.

diejenige Isolatorhöhe ζ gesucht wird, bei welcher dieser Ausdruck seinen maximalen Wert bekommt, so wird die Isolatorhöhe ζ unter den für F i g. 3 gemachten Voraussetzungen unabhängig von der getroffenen Wahl für die Größe der Konstanten k[ bis fa kleiner als 0,5 z_p sein. Abhängig von der Wahl der Konstanten je nach den Eigenschaften, die von der Antenne gefordert werden, wird ζ zwischen 0 und 0,5 Zp, insbesondere zwischen 0,1z,, und 0,4z_p liegen. Wird für eine bestimmte Antenne beispielsweise der Bandbreite B besondere Bedeutung beigemessen, so muß die Konstante k-i

besonders groß gewählt werden mit der Folge, daß ζ entsprechend dem Verlauf des Kurvenzuges 100 B/f relativ klein gewählt werden muß, damit der im Patentanspruch 1 angegebene Ausdruck seinen maximalen Wert erhält

In einem anderen Fall, in welchem dem Wirkungsgrad η oder der abgestrahlten Leistung P, besondere Bedeutung beigemessen wird, kommt es zu relativ großen Isolatorhöhen z, weil in dem besagten Ausdruck die Konstanten kt bzw. kg besonders groß gewählt ;- 50 werden müssen.

Je nachdem, welchen Zwecken die Antenne dienen soll, deren Teil die hier beschriebene Abspannung ist, kann — abgesehen von dcf Wirkung der oberen Teile der Abspannseile 4 als Kapazität — noch eine zusätzliche Dachkapazität am Mast 1 vorgesehen sein.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims (2)

Patentansprüche:

1. Antenne mit elektrostatisch geerdetem, selbststrahlendem Mast mit mehreren unterhalb der Mastspitze mit dem Mast elektrisch leitend verbundenen elektrisch leitenden Abspannseilen, die jeweils am unteren Ende mit Erdpotential elektrisch leitend verbunden sind und im übrigen keine elektrisch leitenden Verbindungen mit dem Mast oder einem anderen Abspannseil aufweisen, dadurch gekennzeichnet, daß jedes der Abspannseile (4) nur durch einen einzigen Isolator (5) unterteilt ist

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Isolator (5) in einer derartigen Höhe ^befindet, daß der Aufdruck

ki ■ i\+k₂ ■ B+h · η · B+h ■ P_u+ks · Pt
den maximalen Wert hat, wobei mit

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