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"Breitbandantenne mit einem HF-gespeisten Einschnitt an einer
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ebenen Metall struktur" Notch- bzw. shunt gespeiste Antennen sind
seit längerem bekannt, z.B. aus Proc. IEE vol. 102, part B, 1955, p. 211 -218, W.A.
Johnson und IRE Trans. AP 6, 1958, p. 35 - 43, R.L. Tanner. Sie werden vorwiegend
als Sende/Empfangsantennen im HF-Bereich bei Flugzeugen und vereinzelt auch auf
Schiffen und Landfahrzeugen (HF und VHF) eingesetzt.
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Der grundlegende Unterschied dieser Antennen zu anderen Strahlertypen,
wie z.B. Stäben, Dipolen, Langdrahtantennen etc. besteht darin, daß die Abstrahlung
der elektromagnetischen Energie nicht von einer eigens als Antenne ausgeführten
Anordnung erfolgt, sondern überwiegend von einer beliebigen metallischen Struktur,
die mit Hilfe eines im Verhältnis zur Wellenlänge kleinen Einschnitts (notch) oder
ausgesetzten Rahmens erregt wird. Mit Hilfe eines derartigen Erregerelements ist
es möglich, Platten, Container, Fahrzeuge, Gebäude oder Teile davon (z.B. Dächer)
als effiziente Sende/ Empfangsantennen zu nutzen.
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Bei einer notch-gespeisten Antenne kann in einer zweidimensionalen
Metall struktur (Blech) eine Kerbe eingeschnitten
sein, die z.B.
mit einer koaxialen Speiseleitung verbunden ist und am offenen Ende durch einen
Abstimmkondensator überbrückt wird.
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Die HF-Energie wird über die Speiseleitung in die Metallstruktur eingespeist.
Dabei wirkt die Berandung der Kerbe (notch) ähnlich einem Primärrahmen, der gemäß
dem Induktionsgesetz ein Sekundärfeld auf der umgebenden Metall struktur erzeugt.
Dieses Sekundärfeld pflanzt sich bis zu den AuBenkanten des Bleches fort und wird
von dort in den Raum abgestrahlt, so daß die gesamte Struktur als Antenne wirkt.
Die Abstimmung erfolgt in einfacher Weise durch den variablen Kondensator am offenen
Ende der Kerbe. Um eine gute Anpassung an das Koaxialkabel mit einem näherungsweise
konstanten Wellenwiderstand von z.B. 50 nüber einen größeren Frequenzbereich zu
gewährleisten, sind zusätzlich die Einspeisepunkte in groben Schritten frequenzabhängig
zu verändern. Gemäß der Vorstellung, daß die elektromagnetischen Wellenweitgehend
von don Kanten des Bleches abgestrahlt werden, muß die Notch-Antenne ähnliche elektrische
Eigenschaften haben wie ein Rahmenstrahler.
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Dementsprechend zeigt die notch-gespeiste Antenne das Verhalten eines
selektiven relativ schmalbandigen Strahlers,
der 3edoch innerhalb
eines großen Frequenzbereichs (bis - 5 Oktaven) abstimmbar und an einer vorgegebenen
Impedanz (z.B. 50 n) anpaßbar ist. Die lückenlose Anpassung und Abstimmung der Antenne
innerhalb eines größeren Frequenzbereichs kann z.B.
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mit Hilfe einer Reihe umschaltbarer Einspeisungen und einer feinstufigen
Kapazitätsschalteinheit erfolgen.
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Für bestimmte Anwendungen ist die Schmalbandigkeit der Notch-Antenne
3edoch nachteilig, da die lückenlose Abstimmung innerhalb eines gewünschten größeren
Frequenzbereicha zu aufwendig ist oder zu langsam erfolgt. Beispielsweise wäre eine
Notch-Antenne als Fernsehempfangsantenne nur dann preiswert und universell einsetzbar,
wenn sie ca 2 Oktaven Bandbreite hAtte.
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Aufgabe der Erfindung ist es daher, eine Breitbandantenne zu schaffen
und eine beliebige Metallstruktur, z.B. eine Platte zur Abstrahlung bzw. Aufnahme
der elektromagnetischen Energie ohne zusätzliche Anpassungsnetzwerke auszunutzen.
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Gelöst wird diese Aufgabe dadurch, daß eine in die plattenförmige
Metall struktur eingeschnittene Kerbe mit einem innerhalb der Kerbe angeordneten
Koppelglied für die Speiseleitung versehen ist, dessen Struktur so gewählt ist,
daß mit der kapazitiven Belastung der Kerbe die Resonanzbedingung w - V~~~- für
den gesamten Breitbandbereich angenähert erfüllt ist.
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Vorteilhafterweise ist das Koppelglied U-förmig ausgebildet und die
Länge der Schenkel steht angenähert im umgekehrten Verhältnis zu ihrer Breite.
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Durch eine solche Koppel struktur wird außerdem der Wert des Realteils
der Impedanz am Speisepunkt in grober Näherung breitbandig konstant gehalten (z.B.
50 n). so daß eine Anpassung der Antenne an einen Sender oder Empfänger mit einem
Stehwellenverhältnis besser als 1 : 3 über 2 Oktaven nihne weiteres möglich ist.
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Die Zeichnung stellt Ausführungsbeispiele dar. Es zeigen: Fig. 1 eine
Antenne mit Koppel struktur, Fig. 2 eine Antenne mit Koppelstruktur und Metallfläche,
Fig. 3 eine praktisch ausgeführt Antenne.
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Nach Fig. 1 wird eine in eine Platte P geschnittene Kerbe K mit einem
Koppelglied E versehen, dessen Struktur die Kerbe K derart kapazitiv belastet, daß
die Resonanzbedingung w = V näherungsweise für den gewünschten Frequenzbereich erfüllt
ist. Bei dem in der Kerbe K angebrachten U-förmigen Koppelglied E beträgt das Verhältnis
der Längen 11, 12 der Schenkel a und b etwa 2 : 1 und das Verhältnis der Breiten
b1, b2 etwa 1 : 2.
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Der Einspeisepunkt S für das Einspeisekabel L befindet sich am unteren
Ende des längeren Schenkels a und die
Isolationsabstände I1, I2
vom Kerbenrand betragen Bruchteile der entsprechenden Schenkelbreiten, wobei der
Isolationsabstand I1 für große Bandbreiten sehr klein zu wählen ist.
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Die Erfahrung mit einer solchen Breitbandantenne mit Notch-Einspeisung
im Bereich von 200 - 900 Nift zeigt, daß die untere Frequenzgrenze außer durch die
Abmessungen der Kerbe K auch durch die der Platte P bestimmt wird. Danach ist für
eine gewünschte untere Frequenz fu ein minimaler Umfang der umgebenden Struktur
(z.B. Platte von der Größenordnung der unteren Wellenlänge 4 erforderlich. Dies
ist darauf zurückzuftibren, daß mit Hilfe der angegebenen Koppel struktur E nur
eine bestimmte Maximalkapazität Ciax realisiert werden kann, 8o daß die Induktivität
L der Antenne gemäß der Resonanzbedingung einen Minimalwert Lmin nicht unterschreiten
darf. Dieser wird u.a. durch die Berandung der umgebenden Metallstruktur bestimmt.
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Eine Möglichkeit, die Maximalkapazität Ciax zu erhöhen, besteht nach
Fig. 2 darin, daß eine Metallplatte M isoliert eingefügt wird. Sie bewirkt eine
zusätzlihe kapazitive Belastung, ohne die Anpassung nennenswert zu beeinflussen.
Mit Hilfe dieser Ausführung der Erregerstruktur kann gegenüber einer ohne Metallplatte
eine Erniedrigung von fu um etwa 10 X erreicht werden.
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In Fig. 3 ist die vollständige Anordnung am Beispiel einer plattenförmig
ausgeführten VHF/UHF-Antenne mit einer Notch-
Einspeisung dargestellt.
Die Antenne, die im Bereich 200 - 900 MHz ein Stehwellenverhältnis besser 1: 3 aufweist,
hat die Metallstruktur-Abmessungen 35 x 35 cm. Die Fläche der Kerbe K ist ca. 85
x 100 mm, die Länge des Schenkels a ca. 145 mm, wobei der den Speisepunkt S besitzende
Schenkelteil in einem kleinen zusätzlichen Einschnitt K' liegt. Die Länge des Schenkels
b ist ca. 65 mm, seine Breite ca. 12 mm, während die Breite des Schenkels a ca.
5 mm beträgt. Die Breitenabmessung der Metallfläche M ist ca. 45 mm. Der Isolationsabstand
I1 beträgt etwa 0,1 - 0,5 mm, 12 ca. 2 - 5 mm. Die Strahlungscharakteristik entspricht
im wesertlichen der eines entsprechend großen Rahmens.
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Sie ist sowohl als Sende-Antenne als auch für den Empfang z.B.
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als Fernseh-Zimmerantenne geeignet.
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Da keine diskreten Bauelemente verwendet werden, ist die Herstellung
sehr einfach. Die in Fig. 3 dargestellte Breitbandantenne kann z.B. als einseitig
metallisierte Kunststoffplatte ausgeführt werden, aus der die Erregerstruktur herausgeätzt
wird.
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