DE3931879A1 - Antenne - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Antenne nach dem Oberbegriff des Patent­ anspruchs 1.

Die einfachste UKW-Antenne für Tonrundfunk und Fernsehempfang ist bekanntlich ein gestreckter Dipol, der aus zwei Leiterstäben besteht. Diese erstrecken sich von zwei Dipol-Anschlußklemmen aus nach beiden Seiten. Die meisten Fernsehantennen und auch viele UKW-Antennen enthalten außer dem Faltdipol noch mehrere Stäbe, die parallel zum Dipol verlaufen und als Reflektoren oder Direktoren bzw. als parasitäre Elemente bezeich­ net werden. Direktoren sind in Richtung der Hauptkeule des Strahlungsdia­ gramms vor dem Dipol angeordnet, während sich Reflektoren hinter dem Dipol befinden. Der Zweck dieser Reflektoren und Direktoren besteht darin, die für Empfang oder Senden wesentlichen Eigenschaften des Dipols zu ver­ bessern.

Dipolantennen, die mit wenigstens einem Reflektorstab und wenigstens einem Direktorstab ausgerüstet sind, bezeichnet man nach ihrem Erfinder als Yagi-Antennen. Diese Antennen beruhen auf der Erkenntnis, daß der Dipol etwa die Hälfte seiner aufgenommenen Energie wieder abstrahlt und durch die Zusatzelemente vor und hinter dem Dipol Teile dieser Energie wieder auf den Dipol reflektiert werden. Diese Energieübertragungsart wird Strahlungskopplung genannt, weil ohne eine leitende Verbindung zwischen den einzelnen Elementen ein Energietransport stattfindet. Es wäre auch eine leitende Verbindung zwischen den Elementen denkbar, doch würde dies den technischen Aufwand sehr hoch treiben.

Die Anzahl der Zusatzelemente, ihr Abstand untereinander und ihr Abstand zum gespeisten oder erregten Dipol - je nachdem, ob es sich um eine Sende- oder Empfangsantenne handelt - sowie ihre mechanische Länge und Dicke haben maßgebenden Einfluß auf den Freguenzbereich und das elek­ trische Verhalten der Antenne. Als Reflektor kann ein einzelner Stab hinter dem Dipol dienen, doch werden bei neueren Antennen meist mehrere Stäbe vorgesehen, die hinte reinander angeordnet sind . Da die Eigenschaften einer Yagi-Antenne besonders stark von den Abmessungen ihrer parasitären Elemente abhängen, kann sich ihr Strahlungsdiagramm durch Vereisung der Elemente sehr leicht ändern. Die Optimierung der Längen und Abstände der Elemente zur Erzielung eines bestimmten Strahlungsdiagramms ist durch den Einsatz moderner numerischer Rechenverfahren möglich (G. J. Burke, A. J. Pogio: Numerical Electrodynamics Code (NEC) - Method of Moments, NOSC TD 116, Vol. 1, 1981, San Diego, USA; Meinke/Gundlach: Taschenbuch der Hochfreguenztechnik, 4. Auflage, Band 2, N28). Allerdings beziehen sich diese Berechnungsmethoden auf Antennenelemente im freien Raum. Elemente, die einen metallischen Träger durchdringen, erfahren eine Er­ höhung ihrer Eigenresonanzfreguenz, die von Stärke und Form des Trägers sowie von der Art der Montage - isoliert oder galvanisch mit dem Träger verbunden - abhängt. Über den hierdurch notwendig werdenden Verlängerungs­ faktor, der auf dem induktiven Effekt der aus dem Tragrohr gebildeten Kurzschluß-Schleife beruht, ist relativ wenig bekannt (Viezbicke: Yagi Antenna Design, NBS Technical Note 668, National Bureau of Standards, Boulder, Colorado, Dezember 1976; G. Hoch: Wirkungsweise und optimale Dimensionierung von Yagi-Antennen, UKW-Berichte, Heft 1, 1977; G. Hoch: Mehr Gewinn mit Yagi-Antennen, UKW-Berichte, Heft 1, 1978). Da jedoch die unschädliche Toleranz nur ca. 0,5% beträgt, werden in der Konstruktions­ praxis leicht Fehler begangen, die durch Unkenntnis bzw. ungenaue empirische Ermittlung des Verlängerungsfaktors entstehen.

Bei dem mechanischen Aufbau von Yagi-Antennen ist es wichtig, die ein­ zelnen Elemente exakt und auf Dauer auszurichten. Hierfür ist ein Trägerstab oder -rohr vorgesehen, auf dem sich die Elemente befinden. Die Elemente können dabei von dem Tragrohr elektrisch isoliert oder auch nicht isoliert angeordnet werden. Bei der nicht isolierten Anordnung werden die Elemente z. B. durch Festklemmen mittels Spange oder Schraube am Tragrohr be­ festigt, oder es werden die Elemente mit dem Tragrohr verschweißt. Die mechanische Klemmverbindung führt jedoch zu Übergangswiderständen und zu Korrosion, die unerwünschte ohmsche Verluste sowie eine Veränderung der Resonanzfrequenz bewirken, was wiederum zu drastischen Gewinnverlusten führt. Werden die Elemente mit dem Tragrohr verschweißt, so ist die Gesamtanordnung zwar elektrisch unproblematisch, doch ist der mechanische Aufwand sehr hoch.

Bei der isolierten Montage der Elemente auf dem Tragrohr können entweder Kunststoffbuchsen im Tragrohr vorgesehen sein, durch welche die Elemente gesteckt werden, oder es werden Kunststoffstützen auf dem Tragrohr vor­ gesehen. Beide Verfahren sind mechanisch sehr aufwendig. Überdies besteht längerfristig die Gefahr, daß durch UV-Strahlung ungeeignete Kunststoffe zerstört werden.

Der Erfindung liegt deshalb die Aufgabe zugrunde, die Elemente einer Antenne so mit einem Träger zu verbinden, daß die vorstehenden Nachteile nicht auftreten.

Diese Aufgabe wird gemäß den Merkmalen des Patentanspruchs 1 gelöst.

Die mit der Erfindung erzielten Vorteile bestehen insbesondere darin, daß sehr niedrige elektrische Verluste auftreten, ein Langzeit-Wetterschutz garantiert ist und der kleine Durchmesser der Elemente einen geringen Windwiderstand ergibt. Die Klebeverbindung ist mechanisch hoch beanspruch­ bar, elektrisch einwandfrei und konstruktionsbedingt UV-geschützt. Der Verlängerungsfaktor für Antennenelemente, die einen metallischen Träger isoliert durchdringen, kann ohne weiteres verwendet werden. Durch die iso­ lierte Montage mittels eines sehr dünnen Isoliermediums tritt keine unbe­ kannte Veränderung des Verlängerungsfaktors auf. Besondere Vorteile ergeben sich auch durch die Verwendung von Kupferlackdraht als Elementmaterial bei Frequenzen oberhalb 300 MHz, wenn also die Elementlängen kleiner als 500 mm sind. Einerseits ist die auf dem Kupferlackdraht befindliche Lack­ schicht gut klebbar, während andererseits Kupfer geringe elektrische Ver­ luste durch Skin-Effekte aufweist. Versuche bei 1000 MHz ergaben bei langen Antennen, d. h. bei Antennen, deren Trägerrohr mehr als fünfmal größer als die Wellenlänge war, einen Vorteil von typisch 0,15 dB ent­ sprechend 10°K Rauschtemperatur gegenüber Aluminiumelementen mit dop­ peltem Durchmesser.

Ausführungsbeispiele der Erfindung sind in der Zeichnung dargestellt und werden im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein bekanntes Antennengebilde mit Antennenrute;

Fig. 2 Yagi-Antennen in Zwillingsanordnung;

Fig. 3 eine UHF-Yagi-Antenne mit Mehrfachreflektor;

Fig. 4 ein Antennenstück mit Tragrohr und Direktoren vor und während der Montage;

Fig. 5 das Antennenstück gemäß Fig. 4 nach der Montage.

In der Fig. 1 ist ein vollständiges Antennengebilde 1 mit Antennenrute 2 dargestellt, wie es als Dachantenne oft zu sehen ist. Die Antennenrute 2, die für den Emfpang von Lang-, Mittel- und Kurzwellen vorgesehen ist, ist in einem Standrohr 3 befestigt. Am oberen Ende dieses Standrohrs 3 befindet sich eine UKW-Antenne 4, die hier aus einem Dipol 5, zwei Direktoren 6, 7, einem Reflektor 8 und einem Tragrohr 9 besteht. Unterhalb der UKW- Antenne 4 ist eine UHF-Antenne 10 mit zehn Antennenelementen 11 bis 20 und einem Tragrohr 21 angebracht. Darunter befindet sich schließlich noch eine VHF-Antenne 22 mit einem Faltdipol 23, acht Direktoren 24 bis 31, einem Reflektorstab 32 und einem Tragrohr 33. Nach der VHF-Antenne 22 folgen ein Dachabdeckblech 34 sowie Befestigungsschellen 35, 36 für das Standrohr 3. Die nach rechts abgehenden drei oberen Leitungen 37, 38, 39 sind die Antennenniederführungen. Die unten von einer Wasserleitung 40 rechts abgehende Leitung 41 ist die Erdleitung für Verstärker, während die nach oben führende Leitung 42 an Abschirmmänteln der Kabelnieder­ führungen angeschlossen ist. Man erkennt aus der Fig. 1, daß sich bei einer allgemein üblichen Dachantenne bereits fünfundzwanzig Kreuzungs­ punkte von Elementen 5 bis 8, 11 bis 20, 24 bis 32 und Tragrohren 9, 21, 33 ergeben.

In der Fig. 2 sind zwei Yagi-Antennen 50, 51 in Zwillingsanordnung dar­ gestellt. Solche Zwillingsantennen werden dann eingesetzt, wenn die Vertikal­ oder Horizontalrichtwirkung einer Antenne in schwierigen Empfangsfällen nicht ausreicht oder die Bündelung verbessert werden soll. An den Trag­ rohren 52, 53 dieser Antennen 50, 51 sind mehrere Direktoren 54 bis 59, jeweils ein Faltdipol 60, 61 und ein Reflektor 62, 63 angeordnet. Alle Elemente 50 bis 63 sind hierbei in herkömmlicher Weise über Kunststoff­ teile 64, 65 mit den Tragrohren 52, 53 verbunden.

Die Fig. 3 zeigt eine UHF-Yagi-Antenne 66 mit Mehrfachreflektor 67. Dieser Mehrfachreflektor 67 ist quasi-parabolisch ausgebildet und besteht aus einem Tragarm 68 mit mehreren Reflektorelementen 69 bis 74. Der Tragarm 68 ist mit einem weiteren Tragarm 75 verbunden, an dem sich elf Direktoren 76 bis 86 und ein Faltdipol 87 befinden. Die Reflektorelemente 69 bis 74 und die Direktoren 76 bis 86 sind hierbei mit den jeweiligen Tragarmen 68, 75 durch Schweißen verbunden.

In der Fig. 4 ist dargestellt, wie z. B. Direktoren gemäß der Erfindung an einem Tragrohr befestigt werden. Ein Stück eines Tragrohrs 90, das als quadratisches Hohlrohr ausgebildet ist und aus Aluminium besteht, weist mehrere Durchbohrungen 91, 92, 93, 94, 95 auf, durch die Direktoren ge­ schoben und mit dem Rohr 90 befestigt werden sollen. Hierfür wird ein Kleber auf den Rändern zweier gegenüberliegender Bohrungen 91, 95 auf­ getragen und anschließend ein Direktor 96 durch die Bohrungen 91, 95 geschoben. Der Kleber kann hierbei aus einer Klebertube 97 auf die Ränder der Bohrungen 91, 95 gebracht werden. Bei diesem Verfahren ist nachteilig, daß der Direktor 96 nur von einer Seite aus hineingeschoben werden kann. Hierdurch verschiebt er den aufgebrachten Kleber auf der einen Seite, etwa an der Bohrung 91, nach innen, während er ihn an der gegenüber­ liegenden Bohrung 95 nach außen drückt. Will man diesen Nachteil ver­ meiden, so kann ein Direktor 98 zuerst durch beide Bohrungen 92, 99 ge­ schoben und dann mit dem Tragrohr verklebt werden. Der Kleber 100 wird hierbei z. B. aus einer Tube 101 in den Spalt zwischen dem Direktor 98 und den Bohrungen 92, 99 gegeben. Da es sich um einen gut fließenden Kleber 100 handelt, füllt dieser den ganzen Spalt aus. Um den auf der Unterseite befindlichen Spalt auszufüllen, wird das Rohr 90 um neunzig Grad gedreht, so daß der Kleber stets durch die Schwerkraft von oben nach unten läuft.

Als Kleber 100 wird vorzugsweise ein Cyanacrylat-Kleber verwendet, der z. B. als UHU-Sekundenkleber auf dem Markt erhältlich ist. Andere Kleber auf Acrylatbasis, z. B. Methylacrylat, kommen ebenfalls in Frage. Die bekannten Epoxidharz-Kleber sind wegen ihrer hohen Viskosität kaum ge­ eignet, da sie nicht hinreichend in den Raum zwischen Element und Träger eindringen und nicht gut haften.

Die Elemente, die mit dem Tragrohr 90 verbunden werden, bestehen im allgemeinen - wie das Tragrohr 90 auch - aus Aluminium. Oberhalb von 300 MHz empfiehlt sich jedoch Kupferlackdraht, weil dieser bereits einen elektrischen Isolator besitzt und der Acrylatkleber gut an dem Lack des Kupferdrahts haftet. Außerdem sind die elektrischen Verluste im Kupfer­ draht gering. Langzeit-Wetterschutz der gesamten Elementenoberfläche wird ebenfalls bewirkt.

Um das Einfließen des Klebers zu erleichtern, werden die Bohrungen 91 bis 94 im Tragrohr 90 etwa 0,1 mm größer als der Durchmesser der Direktoren 96, 98, 102, 103 gemacht und entgratet bzw. leicht angesenkt. Der Kleber muß nur an ein bis zwei Stellen aufgetragen werden, weil der Kapillar­ effekt bewirkt, daß der Kleber die Direktoren 96, 98, 102, 103 umfließt. Durch entsprechende Versuche kann das Verhältnis Kleberviskosität zu Bohrungs­ durchmesser optimiert werden. Die Aushärtung erfolgt in normaler Umgebung innerhalb weniger Minuten.

In der Fig. 5 ist ein Stück einer fertig montierten Antenne dargestellt. Man erkennt hierbei die durch den Kleber 104 bis 107 mit dem Rohr 90 verbundenen Direktoren 96, 98, 102, 103.

Die erfindungsgemäße Klebemontage löst nicht nur mechanische Probleme, sondern sie bewirkt auch eine sichere elektrische Isolation, z. B. wenn die Oxidschicht bei Aluminiumdirektoren oder die Lackschicht bei Kupferlack­ draht-Direktoren beschädigt ist.

Es versteht sich, daß die erfindungsgemäße Klebemontage nicht auf Direk­ toren beschränkt ist, sondern bei allen anderen Stäben einer Antenne An­ wendung finden kann, die mit einem Rohr verbunden werden sollen.

Als geeignete Kleber kommen auch Einkomponenten-Kunststoffe mit anaero­ ben Eigenschaften in Frage, die durch den katalytischen Einfluß von Metallen aushärten: wenn der flüssige Kunststoff zwischen zwei ineinandergefügten Metallteilen eingeschlossen ist und den Passungsraum vollständig ausfüllt, polymerisiert bzw. erhärtet er und verankert sich in den Rauhtiefen und Oberflächenunebenheiten der zu montierenden Teile. Durch diese formschlüssi­ ge Verbindung wird auf chemischem Wege effektiv eine mechanische Befe­ stigung erzielt. Derartige Kleber sind beispielsweise unter dem Namen LOC- TIDE auf dem Markt erhältlich (LOCTITE-Technik Deutschland, Chemissa Industrie-Vertriebsgesellschaft m.b.H. & Co. KG, 8000 München 81, Arabella­ straße 5).

Claims (16)

1. Antenne mit einem Stab und mit im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Elemente, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (90) senkrecht zu seiner Längsachse angeordnete Bohrungen (91 bis 94) aufweist, durch welche die Elemente (96 bis 103) gesteckt sind, und daß 5 zwischen den Elementen (96, 98, 102, 103) und den Innenwänden der Bohrungen (91 bis 94) ein gut fließender und schnell härtender Kleber (100) vorgesehen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (100) 10 ein Kleber auf Acrylatbasis ist.

3. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (100) ein Kleber auf Cyanacrylatbasis ist.

4. Antenne nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber (100) ein Kleber auf Methylacrylatbasis ist.

5. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (96, 98, 102, 103) Direktoren einer Yagi-Antenne sind.

6. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (96, 98, 102, 103) einen Reflektor bilden.

7. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzneichnet, daß der Stab (90) ein Rechteck-Hohlrohr ist.

8. Antenne nach den Ansprüchen 1 oder 7, dadurch gekennzeichnet, daß der Stab (90) aus Aluminium besteht.

9. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (96, 98, 102, 103) aus Aluminium bestehen.

10. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (96, 98, 102, 103) aus eloxiertem Aluminium bestehen.

11. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elemente (96, 98, 102, 103) für einen Frequenzbereich oberhalb von 300 MHz aus Kupfer­ lackdraht bestehen.

12. Antenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen (91 bis 94) geringfügig größer als die Durchmesser der Elemente (96, 98, 102, 103) sind.

13. Verfahren zur Herstellung einer Antenne mit einem Stab und mit im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Elementen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) der Stab (90) wird mit Bohrungen (91 bis 94) versehen;
• b) die Ränder der Bohrungen (91 bis 95) werden mit einem Kleber (100) bestrichen;
• c) durch die Bohrungen (91 bis 95) werden die Elemente (96, 98, 102, 103) geschoben.

14. Verfahren zur Herstellung einer Antenne mit einem Stab und mit im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Elementen, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

• a) der Stab (90) wird mit Bohrungen (91 bis 94) versehen;
• b) die Elemente (96, 98, 102, 103) werden durch die Bohrungen (91 bis 94) geschoben;
• c) in die Spalten zwischen den Bohrungen (91 bis 94) und den Elementen (96, 98, 102, 103) wird Kleber (100) gegeben.

15. Verfahren nach den Ansprüchen 13 oder 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Bohrungen vor der Einführung des Klebers (100) bzw. der Elemente (96, 98, 102, 103) entgratet werden.

16. Antenne nach einem oder nach mehreren der vorangegangenen Ansprüchen, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein anaerober Kleber ist, der aufgrund der katalytischen Eigenschaften von Metallen aushärtet.