DE3931879C2 - - 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 hintereinander 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 einzelnen 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.

Es ist indessen auch eine Dipolantenne, insbesondere Yagi-Antenne, bekannt, bei der Elemente auf einem Träger durch Kleber zu befestigen sind (DE-AS 12 18 021). Nachteilig ist bei dieser Antenne indessen, daß die Elemente größeren mechanischen Belastungen nicht gewachsen sind, weil sie nur auf der Oberfläche des Trägers haften. Wird ein auf der Oberfläche des Trägers aufgeklebten Element an einem Ende mit großer Kraft angehoben, so entsteht am Klebepunkt bzw. an der Klebefläche ein großes Drehmoment, das zur Ablösung des Elements führen kann.

Schließlich ist auch noch eine 41-Element-Vormast-Yagi-Antenne für das 13-cm-Band bekannt, die einen Stab mit im wesentlichen senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Direktoren aufweist, die durch Bohrungen gesteckt sind, welche senkrecht zur Längsachse des Stabs angeordnet sind (UKW-Berichte, Heft 1, 1989, S. 58 bis 61). Die Direktoren werden hierbei mit Fett eingerieben und in die Bohrungen eingetrieben, so daß sich ein Preßsitz zwischen Stab und Direktoren ergibt.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, die Elemente einer Antenne mittels einer dünnen, elektrisch isolierenden Schicht so mit einem Träger zu verbinden, daß eine mechanisch sehr stabile Verbindung zwischen den Elementen und dem Träger entsteht.

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 beanspruchbar, elektrisch einwandfrei und konstruktionsbedingt UV- geschützt. Der Verlängerungsfaktor für Antennenelemente, die einen metallischen Träger isoliert durchdringen, kann ohne weiteres verwendet werden. Durch die isolierte Montage mittels eines sehr dünnen Isoliermediums tritt keine unbekannte 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 Lackschicht gut klebbar, während andererseits Kupfer geringe elektrische Verluste 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 entsprechend 10°K Rauschtemperatur gegenüber Aluminiumelementen mit doppeltem Durchmesser.

Ein Ausführungsbeispiel der Erfindung ist in der Zeichnung dargestellt und wird im folgenden näher beschrieben. Es zeigen

Fig. 1 ein Antennenstück mit Tragrohr und Direktoren vor und während der Montage;

Fig. 2 ein Antennenstück gemäß Fig. 1 nach der Montage.

In der Fig. 1 ist dargestellt, wie zum Beispiel 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 geschoben und mit dem Rohr 90 befestigt werden sollen. Hierfür wird ein Kleber auf den Rändern zweier gegenüberliegender Bohrungen 91, 95 aufgetragen 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 etwa senkrecht zu seiner Längsachse angeordneten Elementen, wobei der Stab senkrecht zu seiner Längsachse angeordnete Bohrungen aufweist, durch welche die Elemente gesteckt sind, dadurch gekennzeichnet, daß 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) 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 Kupferlackdraht 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 nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Stab, der mit Bohrungen versehen wird, in denen etwa senkrecht zur Längsachse des Stabes Elemente angeordnet werden, gekennzeichnet durch folgende Schritte:

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

14. Verfahren zur Herstellung einer Antenne nach einem der Ansprüche 1 bis 12 mit einem Stab, der mit Bohrungen versehen wird, in die etwa senkrecht zur Längsachse des Stabes Elemente geschoben werden, dadurch gekennzeichnet, daß in die Spalten zwischen den Bohrungen (91 bis 94) und den Elementen (96, 98, 102, 103) ein Kleber (100) gegeben wird.

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 der Ansprüche 1 bis 12, dadurch gekennzeichnet, daß der Kleber ein anaerober Kleber ist, der aufgrund der katalytischen Eigenschaften von Metallen aushärtet.