DE3628024A1 - Antennenanpassschaltung fuer schnellen frequenzwechsel - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antennenanpaßschaltung gemäß dem Oberbegriff des Patentanspruchs 1.

Moderne Kurzwellen-Nachrichtenverbindungen sollen für schnellen Frequenzwechsel, beispielsweise kleiner eine Millisekunde ausgelegt sein. Dadurch können sie sich durch Frequenzspringen weitgehend der Aufklärung entziehen und gegenerischen Störmaßnahmen ohne Unterbre­ chung des Betriebs ausweichen.

Als Antennen, insbesondere für mobile Funkstationen, kommen vorwiegend kurze Stabantennen für die Boden­ wellenverbindung und kurze Dipolantennen für die Raumwellenverbindung zur Anwendung. Hierbei weisen die Stabantennen eine geometrische Länge kleiner als ein Viertel der Betriebswellenlänge, und die Dipolantennen eine geometrische Länge kleiner als die Hälfte der Betriebswellenlänge auf.

Der frequenzabhängige, hochohmige Eingangswiderstand dieser Antennen wird bei der Verwendung einer Stab­ antenne, d. h. einer Vertikalantenne über Erde, mit einer unsymmetrischen Antennenanpaßschaltung, und bei Verwendung einer Dipolantenne, d. h. eines horizontalen Dipols über Erde, mit einer symmetrischen Anpaßschaltung auf den Wellenwiderstand eines Zuführungskabels transfor­ miert. Über das Zuführungskabel ist die Antenne mit einem Sender verbunden.

Breitbandantennen, wie Rhombusantennen Reußenantennen oder logarithmisch-periodische Antennen werden ohne Anpaßschaltung betrieben. Sie weisen jedoch große Ab­ messungen auf und sind daher nur für stationären Betrieb und nicht für mobile Funkstationen brauchbar. Bedämpfte Stabantennen oder bedämpfte Dipolantennen sind ohne Antennenanpaßschaltung breitbandig realisierbar. Der Wirkungsgrad dieser Antennen ist, besonders bei kleinen Abmessungen, wie sie für mobile Funkstationen in Frage kommen, schlecht.

Zur Realisierung einer Antennenanpaßschaltung, bei der der hochohmige Eingangswiderstand der Antenne auf den niederohmigen Wellenwiderstand des Zuführungskabels transformiert wird, sind vielerlei Schaltungen (siehe beispielsweise "Taschenbuch der Hochfrequenztechnik", von H. Meinke und F.W. Gundlach, 3.verbesserte Auf­ lage, Seite 524, Beschreibung zur Abbildung 17.6) bekannt. Im folgenden wird von einer Antennenanpaßschal­ tung ausgegangen, die eine sogenannte L-C Transformations­ schaltung aufweist.

Bei einer unsymmetrischen Antennenanpaßschaltung für Stab­ antennen besteht die Transformationsschaltung beispiels­ weise aus einem induktiven Längsglied und einem kapaziti­ ven Querglied. Bei einer symmetrischen Anpaßschaltung für Dipolantennen besteht die Transformationsschaltung aus zwei induktiven Längsgliedern und einem kapazitiven Quer­ glied. Der Transformationsschaltung ist hierbei in Rich­ tung zum Zuleitungskabel ein sogenannte breitbandiges Symmetrieglied vorgeschaltet.

Die induktiven und kapazitiven Elemente der Transforma­ tionsschaltung werden beispielsweise entsprechend den in einer zwischen das Zuleitungskabel und die Trans­ formationsschaltung bzw. das Symmetrieglied eingefüg­ ten Meßschaltung, einem sogenannten Stehwellen-Meßge­ rät gewonnenen Meßgrößen so verändert, daß die Antenne an das Zuleitungskabel angepaßt wird. Hierbei beträgt die Bandbreite einer typischen Stabantenne mit An­ tennenanpaßschaltung für mobile Anwendung nur etwa 0,5 bis 1% der Betriebsfrequenz. Das eingangs ange­ führte Frequenzspringen ist aber umso effektiver, je größer die zur Verfügung stehende Bandbreite ist.

Die Elemente der Transformationsschaltung können als Variometer und Drehkondensator ausgebildet sein. Die Betätigung erfolgt hierbei über einen von der Meßschal­ tung gesteuerten Servomotor, wobei die Abstimmzeit aber auch bei kleinen Frequenzänderungen weit über den ein­ gangs geforderten Werten für das Frequenzspringen liegt.

Bei modernen Anpaßschaltungen wird das induktive Längs­ glied mit schaltbaren Induktivitäten und das kapazitive Querglied mit schaltbaren Kapazitäten ausgeführt. Zum Schalten werden Relais und/oder Schaltdioden verwendet.

Bei der Verwendung von mechanisch bewegten Elementen in der Antennenanpaßschaltung, wie Variometer, Drehkonden­ sator, Relais, die dem Verschleiß unterliegen, sind nur eine begrenzte Anzahl von Abstimmvorgängen möglich. Wei­ ter liegt die Abstimmzeit auch für Frequenzsprünge mit einer geringen Frequenzänderung über dem eingangs ge­ forderten Wert.

Bedingt durch das hohe Transformationsverhältnis treten am induktiven Längsglied der Transformationsschaltung hohe HF-Spannungen auf (beispielsweise etwa 10 kV bei Sendelei­ stungen von einigen 100 Watt). Als Schaltelemente für die geschalteten Induktivitäten, insbesondere an der Antennen­ seite, können daher keine Schaltdioden alleine verwendet werden, da die maximal zulässige HF-Spannung der zur Zeit handelsüblichen Schaltdioden (beispielsweise PIN-Dioden) etwa 1 kV beträgt.

Aus der US-PS 44 86 722 ist eine Antennenanpaßschaltung bekannt, die aus einem mit dem Zuleitungskabel verbundenen Übertrager, einem an der anderen Seite des Übertragers an­ geschlossenen aufwendigen Transformationsglied und einem in Richtung zur Antenne dem Transformationsglied nachgeschal­ teten Schaltnetzwerk besteht. Im Schaltnetzwerk werden Relais verwendet. Die Elemente des Transformationsgliedes sind durch über Schaltdioden schaltbare Induktivitäten und schaltbare Kapazitäten realisiert. Zur Antennenan­ passung beim Frequenzsprungverfahren wird das Transfor­ mationsglied, d. h. dessen Impedanz verändert. Da das Transformationsglied auf der niederohmigen Kabelseite angeordnet ist, ist die Weite der Frequenzänderung gering.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Antennen­ anpaßschaltung für schnellen Frequenzwechsel anzugeben, bei der die für mobile Funkstationen geeigneten kurzen Stab- bzw. Dipolantennen verwendbat sind.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß durch die im Patent­ anspruch 1 angegebenen Merkmale gelöst.

Im folgenden wird die Erfindung anhand eines in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispieles er­ läutert. Dabei zeigt

Fig. 1 die Antennenanpaßschaltung mit der erfindungs­ gemäßen Frequenzänderungsschaltung für eine Stabantenne,

Fig. 2 die Antennenanpaßschaltung mit der erfindungsge­ mäßen Frequenzänderungsschaltung für eine Dipolantenne, und

Fig. 3 eine Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Frequenz­ änderungsschaltung.

In Fig. 1 ist eine zwischen ein Zuleitungskabel ZL und einen Antennenanschluß A geschaltete Antennenanpaßschal­ tung dargestellt. Das Zuleitungskabel ZL weist beispiels­ weise einen Wellenwiderstand von 50 Ohm auf, und am Antennenanschluß A, an dem eine Ausgangsspannung UA ab­ greifbar ist, ist eine hier nicht dargestellte Stabanten­ ne angeschlossen. Die Antennenanpaßschaltung besteht hierbei aus einer an und für sich bekannten Transfor­ mationsschaltung T und der erfindungsgemäß vorgesehe­ nen Frequenzänderungsschaltung F. Hierbei ist die Frequenzänderungsschaltung F zwischen den Antennen­ anschluß A und das nicht näher bezeichnete induktive Längsglied der Transformationsschaltung T geschaltet.

Die Frequenzänderungsschaltung F, deren Aufbau später anhand von Fig. 3 näher erläutert wird, ist mit einem Frequenzgeber FG verbunden. Bedarfsweise ist weiter zwischen das induktive Längsglied der Transformations­ schaltung T und dem Zuleitungskabel ZL eine mit un­ terbrochenen Linien gezeichnete Meßschaltung M eingefügt, von der das induktive Längsglied und das ebenfalls nicht näher bezeichnete kapazitive Querglied der Transformations­ schaltung T eingestellt werden.

In Fig. 2 ist eine Antennenanpaßschaltung für eine Dipolantenne dargestellt. Diese besteht in an sich be­ kannter Weise aus einem Symmetrierglied SG, das ein­ gangsseitig mit dem Zuleitungskabel ZL verbunden ist, und an dem ausgangsseitig eine symmetrische Transfor­ mationsschaltung ST angeschaltet ist. Diese symmetrische Transformationsschaltung ST weist in an sich bekannter Weise zwei nicht näher bezeichnete induktive Längsglie­ der und ein ebenfalls nicht näher bezeichnetes kapazi­ tives Querglied auf.

Die induktiven Längsglieder der symmetrischen Transfor­ mationsschaltung ST sind jeweils über eine Frequenzän­ derungsschaltung F mit einem ersten bzw. zweiten An­ tennenanschluß A 1, A 2 verbunden. Der Aufbau dieser er­ findungsgemäß vorgesehenen Frequenzänderungsschaltungen F ist gleich der in Fig. 1 dargestellten Frequenzänderungs­ schaltung F, und wird anhand von Fig. 3 nachstehend er­ läutert. Zwischen den Antennenanschlüssen A 1 , A 2 ist die Ausgangsspannung UA für die Dipolantenne abgreifbar.

Analog, wie in Fig. 1 dargestellt, sind auch die in Fig. 2 dargestellten Frequenzänderungsschaltungen F mit einem Frequenzgeber FG verbunden. Weiter ist zur Einstellung der induktiven Längsglieder bzw. des ka­ pazitiven Quergliedes der symmetrischen Transforma­ tionsschaltung ST auch in Fig. 2 eine zwischen das Zuleitungskabel ZL und das Symmetrierglied SG ge­ schaltete mit unterbrochenen Linien gezeichnete Meß­ schaltung M dargesellt.

Es wird an dieser Stelle darauf hingewiesen, daß die Frequenzänderungsschaltung F erfindungsgemäß am bzw. an den Antennenanschlüssen A, A 1, A 2, d. h. auf der hoch­ ohmigen Seite der Transformationsschaltung T bzw. der symmetrischen Transformationsschaltung ST angeschaltet ist.

In Fig. 3 ist der Aufbau der erfindungsgemäßen Fre­ quenzänderungsschaltung F dargestellt. Diese Frequenz­ änderungsschaltung F besteht aus einer Reihenschaltung aus einem festen Blindwiderstand BF und einem schnell veränderlichen Blindwiderstand BV. Diese Reihenschaltung ist zwischen den Antennenanschluß A, bzw. A 1 oder A 2, und das nicht näher bezeichnete Bezugspotential ge­ schaltet.

Der veränderliche Blinwiderstand BV besteht aus einem festen Blindwiderstandselement BFE und n parallelen festen Blindwiderstandselementen BF 1 bis BFn. Jedes dieser Blindwiderstandselemente BF 1 bis BFn ist über eine der zugehörigen Schaltdioden SD 1 bis SDn gegen das Bezugs­ potential schaltbar, wobei diese Schaltdioden SD 1 bis SDn von einer Steuerung S gesteuert werden. Am nicht näher bezeichneten Eingang der Steuerung S ist der Frequenz­ geber FG angeschaltet.

Der feste und der veränderliche Blindwiderstand BF, BV können jeweils durch Kapazitäten C oder Induktivitäten L realisiert sein.

Die erfindungsgemäße Frequenzänderungsschaltung F besteht also aus dem festen Blindwiderstand BF und dem schnell umschaltbaren, veränderlichen Blindwider­ stand BV. Dieser veränderliche Blindwiderstand BV wird beispielsweise aus binär gestuften Blindwiderstandsele­ menten BFE, BF 1 bis BFn gebildet. Als Schaltelemente dienen verschleißfreie Schaltdioden SD 1 bis SDn. Durch diese Frequenzänderungsschaltung F kann die Abstimmung, d. h. die Anpassung der Eingangsimpedanz der Antenne auf den Wellenwiderstand des Zuleitungskabels ZL in einem ausreichend großen Frequenzband sehr schnell erfolgen.

Die Dimensionierung der Frequenzänderungsschaltung F, insbesondere des Verhältnisses des festen Blindwider­ standes BF zu dem veränderlichen Blindwiderstand BV richtet sich nach der zulässigen HF-Spannungsfestigkeit der verwendeten Schaltdioden SD 1 bis SDn. Diese liegt bei handelsüblichen Schaltdioden bei etwa 1 kV, und damit wesentlich unter der Ausgangsspannung UA an den Anten­ nenanschlüssen A, bzw. A 1, A 2. Beträgt, wie vorstehend ausgeführt, beispielsweise diese Ausgangsspannung UA etwa 10 kV bei einer Sendeleistung von einigen 100 Watt, und ist die zulässige HF-Spannung der Schaltdioden SD 1 bis SDn 1 kV, so ist damit das Verhältnis des festen Blindwiderstandes BF zum größten Blindwiderstandsele­ ment, d. h. zum maximalen Wert des veränderlichen Blind­ widerstands BV gegeben.

Das Frequenzband für schnellen Frequenzwechsel, das durch das Hinzufügen der Frequenzänderungsschaltung F zwischen den Ausgang der Transformationsschaltung bzw. symmetri­ schen Transformationsschaltung T, ST und dem Antennen­ anschluß A bzw. A 1, A 2 gewonnen wird, ist durch die Sen­ deleistung, die verwendete Antenne und die HF-Spannungs­ festigkeit der Schaltdioden SD 1 bis SDn bestimmt. Es beträgt bei Sendeleistungen von einigen 100 Watt, üb­ lichen Antennenlängen von einigen Metern und der Ver­ wendung handelsüblicher Schaltdioden etwa 5 bis 10% der Betriebsfrequenz. Es ist damit etwa um den Faktor 10 größer als die Bandbreite einer typischen Stabantenne mit Antennenanpaßschaltung ohne Frequenzänderungsschal­ tung F.

Die Steuerung der Frequenzänderungsschaltung F erfolgt vom Funkgerät über den Frequenzgeber FG. In der Steuerung S wird die vom Frequenzgeber FG abgegebene Frequenzin­ formation in entsprechende Schaltbefehle für die Schalt­ dioden SD 1 bis SDn umgesetzt.

Die Frequenzänderungsschaltung F kann konstruktiv als Zusatzkasten ausgebildet werden und zwischen eine schon vorhandene Antennenanpaßschaltung und eine vorhandene Antenne eingefügt werden.

Claims (4)

1. Antennenanpaßschaltung für schnellen Frequenzwechsel bei Stab- oder Dipolantennen, mit einer Transformations­ schaltung (T, ST) zur Verbindung eines niederohmigen Zuleitungskabels (ZL) mit der hochohmigen Antenne, gekennzeichnet durch mindestens eine zwischen die Transformationsschaltung (T, ST) und die Antenne geschaltete Frequenzänderungs­ schaltung F, wobei diese eine zwischen den Ausgang der Transformationsschaltung (T, ST) bzw. den Antennen­ anschluß (A, A 1, A 2) und ein Bezugspotential geschaltete Reihenschaltung aus einem festen Blindwiderstand (BF) und einem schnell veränderlichen Blindwiderstand (BV) aufweist.

2. Antennenanpaßschaltung gemäß Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der veränderliche Blindwiderstand (BV) aus gestuften Blindwiderstandselementen (BFE bis BFn) besteht, die über Schaltdioden (SD 1 bis SDn) geschaltet werden.

3. Antennenanpaßschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindwiderstände (BF, BV) Induktivitäten aufweisen.

4. Antennenanpaßschaltung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Blindwiderstände (BF, BV) Kapazitäten auf­ weisen.