DE4040223A1 - Als wendelantenne ausgebildete uhf-sende- und/oder empfangsantenne - Google Patents

Description

Gegenstand der Erfindung ist eine als Wendelantenne ausgebildete UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 1000 MHz, die innerhalb eines geschlossenen Gehäuses, das HF-Strahlung durchläßt, angeordnet ist, und der das UHF-Signal an einem Ende über eine Koaxial-Steck­ verbindung zugeführt wird, und deren Wendel mit zumindest eineinhalb jedoch nicht mehr als 10 Windungen ausgeführt ist, wobei Durchmesser, Höhe und auch Gesamtlänge des ausgestreckten Drahtes sehr klein im Vergleich zur Wel­ lenlänge sind, und eine mechanisch zu betätigende Ein­ richtung die Höhe der Antennenwendel längs ihrer Achse kontinuierlich zu verändern gestattet.

Wendelantennen sind bekannt und werden beispielswei­ se im Buch "Antennas" von John D. Kraus, McGraw Hill Book Company, 1950, im Kapitel 7, S. 173 bis 216 ausführlich beschrieben. Im Falle, daß die geometrischen Maße der An­ tenne, vor allem aber deren Länge ihrer Windungen klein gegenüber der Wellenlänge bleiben, ist der Strahlungszu­ stand der Wendelantenne im Fernfeld dem einer Dipolanten­ ne gleich. Die Hauptstrahlrichtung der Antenne liegt im Fernfeld in einer Ebene senkrecht zur Wendelachse, wo­ durch die Wendelantenne als Rundstrahler mit der Wendel­ achse als Symmetrieachse arbeitet. Das Fernfeld einer solchen Wendelantenne ist ein elliptisches Drehfeld, das unter der Bedingung

wobei D der Wendeldurchmesser und s die Steigung bzw. die Ganghöhe der Wendel ist, in ein zirkular polarisiertes Feld übergeht.

Gegenüber einer λ/4-Dipolantenne hat die Wendelan­ tenne den Vorteil, daß sie zur Abstrahlung derselben Wel­ lenlänge geometrisch kleiner ausgebildet werden kann, ohne dabei in der Sendeleistung wesentlich gegenüber der Stabantenne zu verlieren. So läßt sich beispielsweise eine Wendelantenne in ihrer Bauhöhe gegenüber einer λ /4 Dipolantenne auf 20% reduzieren, behält aber immer noch einen Wirkungsgrad von 80% im Vergleich zur genannten Dipolantenne. Da die Wendelantenne naturgegeben einen ho­ hen Eingangswiderstand aufweist, sind Anpassungsschaltun­ gen, wie dies Dipolantennen im allgemeinen bei Verringe­ rung der Antennenhöhe verlangen, nicht erforderlich. Ein Nachteil der Wendelantenne besteht allerdings darin, daß sie über eine nur sehr geringe Bandbreite verfügt, bei­ spielsweise etwa ±1,5% von der Sendefrequenz, was ihre Anwendung in einem breiten Frequenzband als Einzelantenne unmöglich macht. Der Versuch, die Bandbreite der Sende­ frequenz durch Abstimmen mit einer veränderbaren Serien­ kapazität zu erweitern, ist nicht sehr erfolgreich, weil der Durchstimmbereich meistens nicht größer als 5% ist und weil die Serienkapazität außerdem noch zu einer Fehl­ anpassung führt. Ein weiterer Nachteil kann in besonderen Anwendungsfällen noch dadurch hinzukommen, daß Streukapa­ zitäten, wie beispielsweise eine Hand oder ein anderer Teil eines menschlichen Körpers in Antennennähe einwir­ ken, und die vorerst erfolgte Abstimmung der Antenne wir­ kungslos machen, bzw. die Antenne verstimmen.

Es sei nur kurz darauf verwiesen, daß aus den US- PSen 35 24 193; 35 10 872; 44 75 111; 36 99 585, 37 36 979 und 40 68 238 Wendelantennen, deren Länge mechanisch veränderbar ist, hinreichend bekannt sind, bei denen es sich jedoch ausschließlich um zusammenlegbare, -klappbare oder -schiebbare Antennen handelt, deren Verkleinerung oder Vergrößerung der Höhe lediglich der besseren Trans­ portierbarkeit wegen erfolgt.

Die Erfindung hat sich die Aufgabe gestellt, eine Wendelantenne mit möglichst einfachen Mitteln abstimmbar zu gestalten, damit in einem möglichst breiten Frequenz­ band ein Durchstimmen der Wendelantennen durchgeführt werden kann.

Eine abstimmbare Antenne ist aus der US-PS 42 14 246 bekannt, bei der elektrische Schleifkontakte eine bis mehrere Windungen einer Antennenspule kurzschließen, um damit eine Abstimmung der Antenne vorzunehmen. Dabei dient entweder die Spule selbst als Antenne, oder als Ab­ stimmelement für einen mit der Spule in Serie liegenden Antennenstab. Der Vorteil einer solchen Antennenanordnung liegt vor allem darin, daß eine ferngesteuerte kontinu­ ierliche Abstimmung der Antenne vorgenommen werden kann.

In der US-PS 41 69 267 ist eine Breitband-Wendelan­ tenne beschrieben, die im Frequenzband von 773 MHz bis 1067 MHz optimalen Antennengewinn aufweisen soll. Diese Forderung wird dadurch erfüllt, daß die Wendel der Gesamtantenne aus einzelnen Abschnitten gebildet wird, wobei die einzelnen zylindrisch gewendelten Abschnitte unterschiedliche Länge und unterschiedliche Durchmesser aufweisen und konisch verlaufende Übergangsstücke, eben­ falls in Form einer Wendel, besitzen. Durch spezifische Ausgestaltung der einzelnen Abschnitte ist die optimale Anpassung an das jeweils geforderte Frequenzband, den An­ tennengewinn, die Richtcharakteristik u. dgl. möglich. Al­ lerdings wird eine derart ausgestaltete Antenne einen ganz bestimmten, nicht zu unterschätzenden Platzbedarf erfordern.

Eine weitere Antenne ist noch aus der US-PS 40 87 820 bekannt, die beispielsweise für den Kurzwellenbereich zwischen 2 MHz und 32 MHz bestimmt ist. Ihre Antennenhöhe beträgt z. B. 35 feet, wobei ein beweglicher Teil der He­ lix, deren kontinuierliche Änderung der Höhe bei konstant bleibender Steigerung zuläßt, wodurch in einem sehr brei­ ten Frequenzbereich die Antenne auf Resonanz abgestimmt werden kann. Ihr Nachteil liegt vor allem in der außer­ ordentlich großen Höhe im Vergleich zur Wellenlänge und der verhältnismäßig schwierigen Transportierbarkeit, weil das die Antenne aufnehmende, rohrförmige Antennengehäuse nicht verkleinerbar ist.

Ausgehend von Antennen der eingangs genannten Art ist nun die Erfindung im wesentlichen dadurch gekenn­ zeichnet, daß die kontinuierliche Änderung der Antennen­ höhe (H) höchstens ein Drittel ihrer Gesamthöhe beträgt, wobei die kontinuierliche Höhenänderung der Wendel durch eine auf einem mit einem Feingewinde versehenen Stab drehbare, hutförmige, mit einem Feingewinde versehene Trimmscheibe erfolgt, die auf dem in der Wendelachse an­ gebrachten Stab in axialer Richtung bewegt wird, wahlwei­ se jedoch anstatt der Höhe (H) auch der Durchmesser (D) der Antennenwendel quer zu deren Achse kontinuierlich veränderbar ist, wobei die Änderung des Durchmessers (D) durch ein Flügelrad erfolgt, das auf einem Stab drehbar ist, die Trimmscheibe starr verbunden mitbewegt, und mit­ tels einer Sperrklinke gegen die Torsionskraft der Wendel verriegelbar ist, und die Wendel mit ihren Enden durch Lötung in Löthülsen der Grundplatte und der Trimmscheibe gehalten ist, wobei die Trimmscheibe und die Stäbe aus hochwertigem HF-Isoliermaterial gefertigt sind.

Praktische Untersuchungen haben zu dem Ergebnis ge­ führt, daß in erster Annäherung die Höhe der Antennenwen­ del und damit auch die Steigung bzw. die Ganghöhe der Wendel, aber auch deren Durchmesser die Resonanzfrequenz der Antenne beeinflussen. Wie nachfolgende Formel für die Induktivität der Wendel zeigt, ist die Höhe der Antennen­ wendel umgekehrt proportional, der Durchmesser direkt proportional zu ihrer Induktivität.

Hierbei bedeuten: D = Wendeldurchmesser, H = Wendel­ höhe und N = Zahl der Wendelwindungen. Wird nun eine fe­ dernd ausgeführte Wendel gequetscht, so wird Höhe und Steigung verringert, was zu einer Abnahme der Resonanz­ frequenz der Wendelantenne führt. Das Abstimmen einer An­ tenne auf Resonanz ist aus Gründen optimaler Anpassung notwendig. Die kontinuierliche Änderung der Höhe oder des Durchmessers der Wendelantenne führt zu einer kontinuier­ lichen Durchstimmbarkeit innerhalb eines Frequenzbandes, ohne dafür einen gesonderten Bauteil verwenden zu müssen, in dem größt- und kleinstmögliche Höhe bzw. Durchmesser der Wendel die Bandgrenzen festlegen. Der wesentliche Vorteil gegenüber dem Stand der Technik besteht nun da­ rin, daß in dem verhältnismäßig breiten Frequenzband von 400 MHz bis 1000 MHz jede beliebige Sende- und Empfangs­ frequenz mit einem Satz von drei durchstimmbaren Wendel­ antennen äußerst fein eingestellt bzw. justiert werden kann. Eine Vielzahl einzelner, für sich abgestimmter An­ tennen entfällt.

Zweckmäßig wird man den vorgegebenen Frequenzbereich so aufteilen, daß der jeweils in der Frequenz höher gele­ gene Bereich das 1,3fache des vorhergehenden beträgt, was zu einer Aufteilung in drei Teilbänder führt, inner­ halb deren die jeweils zur Anwendung gelangende Wendelan­ tenne eine Durchstimmbarkeit von etwa 30% zuläßt. Dies führt zu drei Antennenausführungen, deren Anzahl der Wen­ delwindungen im Verhältnis 1 : 3 gestaffelt sind. Der ganz besondere Vorteil bei der Anwendung der erfindungs­ gemäßen Wendelantenne für bewegliche Sendermikrophone im UHF-Bereich liegt darin, daß zufolge der Kleinheit der Antenne, diese am hinteren Ende des Mikrophonschaftes leicht untergebracht oder angebracht werden kann und da­ mit weitaus weniger im praktischen Betrieb hinderlich und auch optisch nahezu nicht merkbar gegenüber einer λ/4- Stabantenne ist. Im genannten Frequenzband würde die Län­ ge für eine λ/4-Stabantenne 7,5 cm bis zu 15 cm betra­ gen, während die erfindungsgemäße Wendelantenne bei einem Durchmesser von angenähert 1 cm eine maximale Höhe von ebenfalls nur 1 cm erreicht. Würde man dagegen die Länge der Stabantenne verkürzen, was denkbar und möglich ist, so müßte man die Stabantenne mit einer Zusatzinduktivität belasten, was zu einem erheblichen Güteverlust der Stab­ antenne führt. Die erfindungsgemäße Wendelantenne hat aber trotz ihrer Kleinheit wie schon eingangs erwähnt ge­ genüber einer λ/4-Dipolantenne immer noch einen Wir­ kungsgrad von 80%, der trotz Abstimmung erhalten bleibt.

Die einfachste und technisch eleganteste Lösung für den Quetschvorgang der als federnde Wendel ausgeführten Antenne besteht darin, eine mit einem Gewinde versehene Trimmscheibe durch Drehen auf einem mit einem Feingewinde versehenen Stab axial zu bewegen. Durch Druck auf die oberste Wendel der Antenne wird eine kontinuierliche Än­ derung beim Drehen der Trimmscheibe von Höhe und Ganghöhe der Wendelantenne erreicht und entsprechend der Feinheit in der Steigung des Gewindestabes eine korrespondierende kontinuierliche feine Antennenabstimmung erzielt. Es be­ darf wohl keiner besonderen Erwähnung, daß Trimmscheibe und Feingewindestab aus hochwertigem HF-Isoliermaterial hergestellt sind. Die ursprüngliche Höhe der Wendel wird gemäß den bereits genannten Bedingungen so auszulegen sein, daß ohne Bildung eines Windungsschlusses die Gang­ höhe beim Quetschen der Wendel auf ein Drittel reduziert werden kann. Die Zahl der Wendelwindungen ist von der Ge­ samtlänge des Wendeldrahtes abhängig bei vorgegebenem Durchmesser der Wendel, wobei wiederum die Gesamtlänge des Wendeldrahtes durch die größte zu übertragende Wel­ lenlänge λ bestimmt wird, indem λ groß zur Gesamtlänge bleiben muß.

Wenn auch nicht so präzise in der Anwendung wie die Abstimmung der Wendelantenne durch Änderung in der Höhe, so aber doch auch durchführbar, ist die Abstimmung der Sendefrequenz durch Änderung des Durchmessers der Wendel. Eine solche Abstimmung ist immer dann von Vorteil, wenn in einem Grobbereich des Frequenzbandes schnell und ein­ fachst, ohne dabei auf hohe Genauigkeit zu achten, eine Frequenzeinstellung vorzunehmen ist.

Der weitere Vorteil liegt darin, wenn fallweise eine kontinuierliche Veränderung der Antennenhöhe aus Platz­ mangel nicht vorgenommen werden kann, da dann eine Ände­ rung des Durchmessers dafür aber um so eher ohne Schwie­ rigkeiten durchführbar ist.

Es ist ferner zweckmäßig, wenn die Antennenwendel an einem Ende mit einer Koaxial-Steckverbindung versehen ist.

Insbesondere die Anwendung der erfindungsgemäßen Wendelantenne für bewegliche Sendermikrophone, und hier wiederum ganz besonders solche für den Bühnenbetrieb er­ fordert, daß das Mikrophon entsprechend der gegebenen op­ timalen Strahlungsbedingungen im HF-Bereich auf der je­ weils vorhandenen Bühne und auch entsprechend der zum Be­ trieb solcher Mikrophone von den lokalen Behörden zuge­ lassenen Sende-Empfangsfrequenzen einfach und schnell auf die vorgegebene Frequenz innerhalb des Frequenzbereiches adaptierbar ist. Bei einem vorgegebenen Satz innerhalb der Fertigung vorabgestimmter Antennen ist dann der Tausch und damit die Adaptierung solcher Antennen im praktischen Betrieb durch Aufstecken der jeweils richti­ gen Antenne auf den Mikrophonschaft leicht und ohne be­ sondere technische Maßnahmen, besonders für den Nicht- Fachmann durchführbar.

Ferner besteht eine Ausgestaltung der erfindungsge­ mäßen Wendelantenne darin, daß die Grundplatte der Wen­ delantenne gegenüber der Koaxial-Steckverbindung durch einen stabförmigen, aus hochwertigem HF-Isoliermaterial bestehenden Isolator im Abstand angeordnet ist und daß das UHF-Signal der Wendel über ein Stück Koaxialkabel zu­ geführt wird.

Für die besondere Anwendung der Wendelantenne im Be­ trieb mit Sendemikrophonen ist diese am hinteren Ende des Mikrophonschaftes aufgesteckt. Je nach Ausführung und Länge dieses Schaftes wirkt, wenn das Mikrophon in der Hand gehalten wird, die Hand selbst als Streukapazität auf die Antenne ein, wodurch eine Verstimmung in der Fre­ quenz und damit schlechte Abstrahlungseigenschaften ein­ her gehen. Um diesem Umstand abzuhelfen ist es erforder­ lich, die Wendelantenne selbst vom Ende des Mikrophon­ schaftes im Abstand zu halten, was zweckmäßigerweise mit­ tels eines entsprechend langen, elektrisch leitenden An­ tennenstabes erfolgt.

Wenn für bestimmte UHF-Frequenzen des Übertragungs­ bereiches oder für bestimmte Ausführungsformen des Mikro­ phonschaftes der Einfluß der von der Hand ausgehenden Streukapazität auf die Antenne zu groß ist, und die damit verbundenen Störeinflüsse zu unerträglich sind, erweist sich eine isoliert vom Mikrophonschaft abgesetzte Antenne als besonders störungsunanfällig.

Im folgenden wird die Erfindung an Hand von Zeich­ nungen dargestellt, wobei die Fig. 1 bis 3 erfindungsge­ mäße Ausführungsformen der Wendelantenne im Querschnitt zeigen.

Die erfindungsgemäße Wendelantenne 1, die aus zumin­ dest eineinhalb, jedoch nicht mehr als 10 Windungen be­ steht, ist in einem Schutzgehäuse 2 untergebracht, das für elektromagnetische Wellen im UHF-Bereich strahlungs­ durchlässig ist; vorzugsweise besteht ein solches Schutz­ gehäuse aus schlagfestem Kunststoff. Die Steigung der Wendel 1 ist mit s, die Höhe mit H und der Durchmesser mit D bezeichnet. Wesentlich für den UHF-Übertragungsbe­ reich ist, daß diese geometrischen Abmaße s, H und D, als auch die Gesamtlänge des ausgestreckt gedachten Drahtes der Wendelantenne 1 sehr klein gegenüber der Wellenlänge sind. Die Verringerung der Höhe H und damit auch der Steigung bzw. der Ganghöhe s der Wendelantenne 1 erfolgt durch Quetschen der federnd ausgeführten Wendel 1. Dazu wird die hutförmig ausgestaltete Trimmscheibe 3 aus hoch­ wertigem HF-Isoliermaterial durch Drehen auf dem mit einem Feingewinde versehenen Gewindestab 4 axial verscho­ ben. Eine kontinuierlich verlaufende Feinabstimmung der Wendelantenne 1 ist dadurch ausführbar. Nach erfolgter Abstimmung der Antenne wird die Trimmscheibe 3 am Gewin­ destab 4 fixiert, beispielsweise mittels eines Tropfens Lack oder Klebstoff.

Die gequetschte Wendel 1 ist an ihrem unteren Ende gegen die Antennen-Grundplatte 5, die aus einer Kunst­ stoff-Leiterplatte mit geätzten Leiterbahnen und Kontakt­ hülsen besteht, abgestützt. Der Antennenstab 6 sorgt für den bereits zuvor erwähnten erforderlichen notwendigen Abstand von der Koaxial-Steckverbindung 7, die ihrerseits auf der System-Grundplatte 8 befestigt ist. Der Antennen­ stab 6 ist elektrisch leitend ausgeführt und verbindet den Zentralleiter der Koaxial-Leitung mit der Antennen- Grundplatte 5 durch entsprechend ausgeführte Lötverbin­ dungen. Der Anfang 9 der Wendel ist ebenfalls durch Lö­ tung mit der Antennen-Grundplatte 5 verbunden. Der Anten­ nenstab 6 bildet keinen Teil einer stark verkürzten Di­ polantenne, sondern wirkt lediglich als UHF-Signalleiter.

Die in Fig. 2 gezeigte Ausführungsform der erfin­ dungsgemäßen Wendelantenne unterscheidet sich von der in Fig. 1 dargestellten und auch beschriebenen nur darin, daß der Antennenstab 10 aus einem hochwertigen UHF-Isola­ tor besteht. Das UHF-Signal wird in diesem Fall über das Stückchen Koaxialkabel 11 der Antennengrundplatte zuge­ führt.

Eine Ausführungsform, bei der zum Abstimmen auf die Sendefrequenz der Durchmesser D der Wendelantenne 1 ver­ ändert wird, zeigt Fig. 3. Ein mit der Trimmscheibe 3 fest verbundenes Flügelrad 12 gestattet, die durch Lötung in Löthülsen mit der Trimmscheibe 3 und der Antennen- Grundplatte 5 fest verbundene Antennenwendel 1 um die Achse 13 zu drehen. Je nach Drehrichtung wird der Durch­ messer D in Richtung quer zur Antennenachse aufgeweitet oder verengt. Eine Sperrklinke 14, die in einen Zahnkranz einrastet, verhindert ein Zurückdrehen der Wendel 1 nach erfolgter Abstimmung in deren Ausgangslage.

Das für das Wesen der Erfindung nicht bedeutende Sendermikrophon wurde in die Zeichnungen nicht aufgenom­ men, weil vorausgesetzt wird, daß es für den Fachmann leicht ist sich vorzustellen, wie über die Koaxial-Steck­ verbindung 7 die erfindungsgemäße Wendelantenne 1 mit dem Schaftende des Mikrophons verbunden ist. Gegebenenfalls werden weitere mechanische, bereits bekannte Maßnahmen erforderlich sein, um eine lösbare, jedoch fixierbare Verbindung zwischen Wendelantenne und Mikrophonschaft herzustellen.

Claims (2)

1. Als Wendelantenne ausgebildete UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne für elektromagnetische Wellen im Frequenzbereich zwischen 400 MHz und 1000 MHz, die inner­ halb eines geschlossenen Gehäuses, das HF-Strahlung durchläßt, angeordnet ist, und der das UHF-Signal an einem Ende über eine Koaxial-Steckverbindung zugeführt wird, und deren Wendel mit zumindest eineinhalb, jedoch nicht mehr als 10 Windungen ausgeführt ist, wobei Durch­ messer, Höhe und auch Gesamtlänge des ausgestreckten Drahtes sehr klein im Vergleich zur Wellenlänge sind, und eine mechanisch zu betätigende Einrichtung die Höhe der Antennenwendel längs ihrer Achse kontinuierlich zu verän­ dern gestattet, dadurch gekennzeichnet, daß die konti­ nuierliche Änderung der Antennenhöhe (H) höchstens ein Drittel ihrer Gesamthöhe beträgt, wobei die kontinuierli­ che Höhenänderung der Wendel (1) durch eine auf einem mit einem Feingewinde versehenen Stab (4) drehbare, hutförmi­ ge, mit einem Feingewinde versehene Trimmscheibe (3) er­ folgt, die auf dem in der Wendelachse angebrachten Stab (4) in axialer Richtung bewegt wird, wahlweise jedoch an­ statt der Höhe (H) auch der Durchmesser (D) der Antennen­ wendel (1) quer zu deren Achse kontinuierlich veränderbar ist, wobei die Änderung des Durchmessers (D) durch ein Flügelrad (12) erfolgt, das auf einem Stab (13) drehbar ist, die Trimmscheibe (3) starr verbunden mitbewegt, und mittels einer Sperrklinke (14) gegen die Torsionskraft der Wendel (1) verriegelbar ist, und die Wendel (1) mit ihren Enden durch Lötung in Löthülsen der Grundplatte (5) und der Trimmscheibe (3) gehalten ist, wobei die Trimm­ scheibe (3) und die Stäbe (4; 13) aus hochwertigem HF- Isoliermaterial gefertigt sind (Fig. 1 und 3).

2. UHF-Sende- und/oder Empfangsantenne nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Grundplatte (5) der Wendelantenne (1) gegenüber der Koaxial-Steckverbindung (7) durch einen stabförmigen, aus hochwertigem HF-Iso­ liermaterial bestehenden Isolator (10) im Abstand ange­ ordnet ist, und daß das UHF-Signal der Wendel (1) über ein Stück Koaxial-Kabel (11) zugeführt wird (Fig. 2).