DE4219569A1 - Breitbandige Hybridantenne - Google Patents

Description

Die Erfindung geht aus von einer hybriden Antennenanordnung nach dem Oberbegriff des Anspruches 1.

Drehbare Richtantennen setzen sich bekanntlich aus resonanten Dipolen oder resonanten Schleifen zusammen. Diese gliedern sich nach dem Prinzip der Yagi-Uda-Antenne in das gespeiste Element, den Reflektor und die Direktoren. Die einzelnen Elemente können dabei Dipole oder Schleifen sein. Sind die Schleifen von quadratischer Gestalt, so wird die Antenne Quadantenne oder auch Cubical-Quad-Antenne genannt. Die Grundform dieser Antennen hat nur eine Arbeitsfrequenz oder ein schmales Frequenzband, in dem die verlangten Eigenschaften der Antenne erfüllt werden. Die Yagi-Uda-Antenne kann mit sogenannten Traps, das sind Sperrkreise, auf nahe benachbarten Frequenzen oder Frequenzbän­ dern resonant gemacht werden. Die physikalisch gegebenen Verluste der Traps bedingen eine Verschlechterung des Gewinns solcher Mehrband­ antennen. Außerdem können kaum mehr als drei Arbeitsbänder eingerich­ tet werden. Bei der Cubical-Quad-Antenne muß für jedes Arbeitsband ein neuer Satz Quadschleifen verwendet werden, so daß auch hier kaum mehr als drei Arbeitsbänder möglich sind. Eine andere Möglichkeit, eine Yagi-Uda-Antenne breitbandig zu machen, ist die Gestaltung zur logarithmisch-periodische Dipolantenne (LPD). Diese braucht für einen der Yagi-Uda-Antenne vergleichbaren Gewinn innerhalb der Arbeitsband­ breite sehr viel Einzelelemente, die eine große, schwere und teuere Antennenanordnung bilden.

Die Aufgabe der Erfindung besteht darin, eine gattungsgemäße Hybrid­ antennenanordnung so weiterzubilden, daß

• - die räumliche Abmessung im Vergleich zur Yagi-Uda-Antenne verringert wird,
• - die räumliche Abmessung im Vergleich zur Cubical-Quad- Antenne verringert wird,
• - Breitbandigkeit in Gewinn und Anpassung über mehr als eine Oktave erzielt wird,
• - unterhalb der unteren Grenzfrequenz des Breitbandbereiches Betrieb auf diskreten Frequenzen ermöglicht wird,
• - der Gewinn der Anordnung maximiert wird.

Diese Aufgabe wird bei einer gattungsgemäßen Anordnung erfindungs­ gemäß durch die im kennzeichnenden Teil des Anspruches angegebenen Merkmale gelöst. Vorteilhafte Ausgestaltungen sind in den Unteran­ sprüchen angegeben.

Bildbeschreibung

Bild 1 Blindwiderstände im Speisepunkt von Dipol und Quadrat­ schleife,

Bild 2 Wirkwiderstände im Speisepunkt von Dipol und Quadrat­ schleife,

Bild 3 Vereinigung von Dipol und Quadratantenne zur Hybridantenne,

Bild 4 Schachtelung der Resonanzfrequenzen von Dipol und Quadrat­ schleife,

Bild 5 Kopplungsmöglichkeiten zwischen Dipol und Quadratschleife,

Bild 6 Erfindungsgemäße Hybridantenne,

Bild 7 Stehwellenverlauf der Hybridantenne,

Bild 8 Resonanzglieder in einer Hybridantenne,

Bild 9 Resonanzbandbreiten einer Hybridantenne,

Bild 10 Gewinnverlauf einer Hybridantenne,

Bild 11 Gewinnverlauf eines Längsstrahlers aus zwei Hybridantennen,

Bild 12 Vertikale Hybridantenne als Querstrahler,

Bild 13 Vertikale Hybridantenne als Rundstrahler.

Bekanntlich setzt sich der Scheinwiderstand einer Antenne im Speise­ punkt aus dem Wirkwiderstand Re (Zin) und dem Blindwiderstand Im (Zin) zusammen. Wird der Blindwiderstand Null, so ist die Antenne in Resonanz mit der Speisefrequenz. Die Blindwiderstände im Speise­ punkt eines Dipols sowie einer quadratischen Schleife sind auf Bild 1 in Abhängigkeit von der Länge des Dipols oder aber vom Umfang der Quadratschleife dargestellt. Die entsprechenden Wirkwiderstände zeigt Bild 2. Die in Bild 1 und Bild 2 dargestellten Werte wurden mittels numerischer Methoden berechnet, wobei der Drahtdipol einen Leiter­ radius von 0.0005 Lambda und die Quadratschleife einen Leiterradius von 0.001 Lambda hatte. (Literatur: Stutzman & Thiele, Antenna Theory and Design, Wiley & Sons, New York, 1981).

Kombiniert man einen Dipol und eine Quadratschleife in eine Hybrid­ antenne, so ergeben sich zahlreiche Möglichkeiten, von denen hier ein günstiges Beispiel dargestellt wird. Der Dipol bildet die Diago­ nale in einem auf der Spitze stehenden Quadrat, wie es Bild 3 zeigt. Hat der Dipol die geometrische Länge lgd, so wird der Umfang der Quadratschleife

lgq = 2 _* √ _* lgd. (1)

Der Blindwiderstand des Dipols hat nach Bild 1 Nullstellen bei den Resonanzlängen lrd = 0.49; 0.91; 1.47; 1.91 Lambda.

Die Quadratschleife hat nach Bild 1 Nullstellen bei den Resonanz­ umfängen lrq = 1.1; 1.5; 2.2 Lambda.

Die Frequenzen, bei denen der Blindwiderstand Null wird, lassen sich für den Dipol wie folgt berechnen:

Entsprechend sind die Frequenzen, bei denen der Blindwiderstand Null wird, für die Quadratschleife:

Nimmt man die geometrische Länge des Dipols mit lgd = 8 m an, so er­ gibt sich nach (1) ein Umfang der Quadratschleife von lgq = 22.63 m. Die Resonanzfrequenzen des Dipols sind für lgd = 8 m nach (2):

fresd = 18.375 MHz; 34.125 MHz; 55.125 MHz; 71.625 MHz.

Die Resonanzfrequenzen der Quadratschleife sind für lgq = 22.63 m nach (3):

fresq = 14.584 MHz; 19.887 MHz; 29.168 MHz.

Stellt man die Resonanzfrequenzen dieser Hybridantenne in einem Schaubild zusammen, so ergibt sich Bild 4. Die Resonanzfrequenzen von Dipol und Quadratschleife sind so verteilt, daß sie sich vorteil­ haft ergänzen. Die Schachtelung der Resonanzfrequenzen bildet die theoretische Grundlage der erfindungsgemäßen Hybridantenne.

Der Dipol in der Hybridantenne läßt sich in seiner Mitte auftrennen und dort speisen. Die Speisung der Quadratschleife wäre an jeder beliebigen Stelle möglich, muß jedoch so erfolgen, daß die Wirkungen von Dipol und Quadratschleife sich ergänzen und unterstützen. Zu die­ sem Zweck kann man den Dipol erfindungsgemäß an zwei zu seiner Mitte symmetrisch liegenden Stellen anzapfen und über Leiter oder Schalt­ elemente wiederum symmetrisch mit der Quadratschleife verbinden. Eine weitere Möglichkeit der Erfindung besteht darin, die Enden des Dipols mit den benachbarten Ecken der Quadratschleife über Leiter oder Schaltelemente zu verbinden. Damit wird die separate Speisung der Quadratschleife eingespart, ohne die Wirkungsweise zu beein­ trächtigen.

Um die Breitbandigkeit der erfindungsgemäßen Anordnung zu steigern, wird der Dipol der Hybridantenne als Breitbanddipol gestaltet. Dies geschieht durch Vergrößern des Dipoldurchmessers. Vorteilhaft ist aus konstruktiven Gründen die Gestaltung des Dipols als Flachreuse, die in der gleichen Ebene liegt wie die Quadratschleife. Obschon vom Ende des Flachreusendipols mit unterschiedlichen Koppelelementen an die Quadratschleife gekoppelt werden kann, ist es wegen der Verlustarmut von Vorteil, eine Kapazität als Koppelelement zu wählen. Diese läßt sich konstruktiv einfach und kostengünstig durch nahe benachbarte, parallel laufende Drähte darstellen. Wird diese günstige Kopplung verwendet, so kann durch die Umgestaltung der Quadratschleife in eine Sechseckschleife die Koppelkapazität besonders einfach verwirklicht werden. Durch die Abflachung der zwei oben und der zwei unten liegen­ den Schrägdrähte wird deren Richtung der Richtung der Dipoläste noch mehr angeglichen und die Wirkungsweise der erfindungsgemäßen Hybrid­ antenne verbessert. Mit der beschriebenen Gestaltung der Hybridanten­ ne ist bereits eine Breitbandigkeit von mehr als einer Oktave er­ reicht.

Da die koppelnde Kapazität zwischen den Enden des Breitbanddipols und den parallellaufenden Drähten der Leiterschleife die Phase ver­ schiebt, wird in der erfindungsgemäßen Ausgestaltung der Hybridanten­ ne ein Ausgleich für die Phasenverschiebung durch eine Verlängerung der Leiterschleife geschaffen. Es ist auch möglich und räumlich weni­ ger aufwendig, diese Verlängerung der Leiterschleife durch eine klei­ ne, am Ende kurzgeschlossene Zweidrahtleitung zu ersetzen, die an der oberen und/oder der unteren Spitze der Leiterschleife angebracht wird. Durch eine entsprechende Veränderung der Länge dieser Umwegleitung bzw. Umwegleitungen läßt sich der phasenabhängige Gewinn der erfin­ dungsgemäßen Hybridantenne optimieren. Darüber hinaus kann die Mitte der Umwegleitung geerdet werden, ohne die Wirkungsweise der Hybrid­ antenne zu beeinflussen, was dem Blitzschutz zugute kommt.

Die erfindungsgemäße Hybridantenne bietet zahlreiche Möglichkeiten der Ausgestaltung. Nach Anspruch 2 ist die Form der Leiterschleife nahezu frei wählbar, wobei die Form eines Kreises oder die Form einer Ellipse im allgemeinen den höheren Frequenzen vorbehalten bleibt.

Die Leiterschleife kann auf verschiedene Weise mit dem Dipol gekop­ pelt werden. Einige Beispiele dazu sind in Bild 5 dargestellt.

• a) Die galvanische Kopplung erfolgt im allgemeinen symmetrisch über Drähte. Hierbei sind die Lage der Drähte und die Länge der Drähte entscheidend für die Eigenschaften der Hybridantenne. So können sie beispielsweise als Umwegleitungen gestaltet werden.
• b) Die resistive Kopplung über ohmsche Widerstände dämpft die Resonan­ zen derart, daß die so gestaltete Hybridantenne einen sehr ausgegli­ chenen Verlauf des Stehwellenverhältnisses und eine Erweiterung des Nutzbereiches zeigt und sich deshalb besonders für breitbandigen Empfang eignet.
• c) Die induktive Kopplung bewirkt eine Herabsetzung der Resonanzfre­ quenzen, so daß damit bei estgelegtem Bereich der Arbeitsfrequenzen die geometrische Größe der Hybridantenne verkleinert werden kann.
• d) Die kapazitive Kopplung hat ihren Vorteil in der Verlustarmut ihrer Bauteile. Außerdem kann die durch die Koppelkapazität hervor­ gerufene Phasenverschiebung durch eine Verlängerung der Leiterschleife oder eine kurzgeschlossene Zweidrahtleitung kompensiert werden.
• e) Durch die Kopplung über Serien- wie auch Parallelschwingkreise kann das Resonanzverhalten der Hybridantenne in weiten Grenzen be­ einflußt werden.

Verwendet man nach Anspruch 3 verschieden lange Drähte für die Lei­ terschleife, indem man beispielsweise oberhalb des Dipols den Draht länger, unterhalb des Dipols den Draht kürzer bemißt, so kann man die Breitbandigkeit der Hybridantenne erweitern. Den gleichen Effekt erreicht man nach Anspruch 4 durch die Verwendung mehrerer Leiter­ schleifen, die parallel geschaltet werden. In Serie geschaltete Leiterschleifen sind im allgemeinen Mehrwindungsschleifen, mit denen die Speiseimpedanz in weiten Grenzen beeinflußt werden kann.

Eine vorteilhafte Ausgestaltung der erfindungsgemäßen Hybridantenne zeigt Bild 6. Dabei sind:

D: Breitbanddipol
P: Zweidraht-Phasenleitung
SP: Speisepunkt
ST: Stab als mechanischer Träger
S: Leiterschleife
E: Erdungspunkt
N: Gehäuse für Netzwerk

Die geometrische Länge des Breitbanddipols ist lgd=8 m. Der Dipol ist an seinen Enden 2 m breit. Genau so lang ist der parallel laufen­ de Draht der Leiterschleife, in den eingekoppelt wird. Die Leiter­ schleife ist von Spitze zu Spitze 7 m hoch. Die Zweidrahtleitung zur Phasenkompensation hat ein Länge von etwa 1 m. Am Speisepunkt SP ist ein Balun 4 : 1 angeschlossen, so daß die Antennenimpedanz von nahezu 200 Ohm auf 50 Ohm herabtransformiert wird.

Mißt man am antennenseitigen Ende der speisenden 50 Ohm-Koaxial­ leitung das Stehwellenverhältnis auf den Frequenzen zwischen 13 MHz und 50 MHz, so ergibt sich das Anpaßverhalten von Bild 7. Es zeigt die Breitbandigkeit der Hybridantenne in dem genannten Bereich, wobei das VSWR nicht über 1.75 ansteigt.

Unterhalb der Grenzfrequenz von etwa 13 MHz können nach Anspruch 1 durch Öffnen der Leiterschleife und Einfügen von elektrischen Netz­ werken schmalbandige Resonanzbereiche geschaffen werden, die eine stehwellenarme Anpassung sicherstellen. Die Arbeitsfrequenzen dieser Resonanzbereiche lassen sich frei wählen in einem Frequenzband von 1.5 bis 13 MHz. Vorzugsweise lassen sich die Netzwerke an der unteren Spitze des Polygons, aber auch an der oberen Spitze des Polygons oder an beiden Spitzen der Leiterschleife einfügen. Geeignete Netzwerke sind:

1. Parallelkreise
2. Serienkreise
3. Tiefpässe ohne Polresonanzen
4. Tiefpässe mit Polresonanzen
5. Hochpässe ohne Polresonanzen
6. Hochpässe mit Polresonanzen
7. Bandpässe
8. Allpässe

Diese Netzwerke machen die Leiterschleife im gewünschten Arbeitsband resonant. Durch die geeignete Wahl der Netzwerke und ihre Bemessung kann die Anpassung der Hybridantenne in weiten Grenzen optimiert werden.

Eine vorteilhafte Form der Ausführung des erfindungsgemäßen Netzwer­ kes besteht nach Bild 8 aus zwei Parallelschwingkreisen für 10.1 MHz und für 7 MHz Resonanzfrequenz der gesamten Antenne und einem in Reihe geschalteten Drehkondensator mit einer Maximalkapazität von rund 100 pF, der es gestattet, Resonanz von etwa 1.5 MHz bis 5 MHz kontinuierlich mittels Fernbedienung einzustellen. Die gemessenen Stehwellenverhältnisse sind in Bild 7 dargestellt, wobei die Resonan­ zen mit dem Drehkondensator auf 1.8 MHz und 3.5 MHz und mit den zwei festabgestimmten Parallelkreisen auf 7.0 MHz und 10.1 MHz eingestellt worden sind.

In der beschriebenen Ausführung der Hybridantenne wurden die aus Bild 9 ersichtlichen Anpaßbandbreiten gemessen, die mit steigender Resonanzfrequenz immer größer werden. Bei Frequenzen über 14 MHz sind Resonanzglieder in der Leiterschleife nicht mehr notwendig, weil die Antenne dort bereits als Breitbandantenne arbeitet.

Dadurch, daß die Ströme im Breitbanddipol und in der Leiterschleife gleichsinnig fließen und somit drei Elemente als Querstrahler strahlen, erzielt bereits ein Element der erfindungsgemäßen Hybrid­ antenne einen Gewinn über den Halbwellendipol. Die Abstrahlcharakte­ ristik hat in vertikaler Ausdehnung eine geringere Halbwertsbreite als in horizontaler Ausdehnung, was die erwünschte Flachstrahlung verbessert. Der gemessene Gewinn zweier Hybridantennen unterschied­ licher Größe, die eine mit 7 m Ausdehnung, die andere mit 8 m Aus­ dehnung quer zur Strahlrichtung ist abhängig von der eingespeisten Frequenz in Bild 10 dargestellt. Auf allen Frequenzen über 7 MHz ist die Hybridantenne im Gewinn und in der Flachstrahlung dem Halbwel­ lendipol überlegen.

Nach Anspruch 5 können zwei Hybridantennen zu einem Längsstrahler zu­ sammengefaßt werden. Dabei sind beide phasenrichtig zu speisen, was am einfachsten durch eine die Elemente über Kreuz verbindende Doppel­ leitung geschieht. Es ist aber auch möglich, beide Elemente separat phasenrichtig zu speisen, wodurch ein Richtungswechsel von 180 Grad innerhalb des Stationsgebäudes rasch geschaltet werden kann. Die ge­ messenen Gewinne einer Zwei-Element-Antenne mit 4 m Elementabstand sind in Bild 11 dargestellt. Die 8 m breite Antenne erreicht ihr Gewinnmaximum bei 28 MHz mit 9.2 dBd, bei 7 MHz sind es immer noch 2.3 dBd. Die 7 m breite Antenne erreicht gegenüber dem Halbwellendi­ pol bei 50 MHz ihr Gewinnmaximum mit 9 dBd und hat bei 7 MHz noch 2.1 dBd Gewinn.

Ähnliche Gewinnzahlen lassen sich erzielen, wenn nach Anspruch 6 zwei Hybridantennen als Querstrahler kombiniert werden.

Wird die erfindungsgemäße Hybridantenne nach Anspruch 7 am Speisepunkt durch eine Ebene normal zur Dipolachse geschnitten und die halbierte Anordnung so gedreht, daß die Dipolachse senkrecht steht, erhält man eine Vertikalantenne. Dabei muß die fehlende Hälfte durch eine leiten­ de Ebene genügender Ausdehnung, durch die gutleitende Erdoberfläche, durch ein Erdnetz oder eine über der Erdoberfläche liegende Ground­ plane ersetzt werden. Bild 12 zeigt eine solche Hybridantenne, die als Querstrahler wirkt. Die Maxima der Achtercharakteristik liegen normal zur Darstellungsebene. Rundstrahlung wird erzielt durch die Kombination einer Hybridantenne mit einer zweiten, die um 90 Grad im Azimut gedreht worden ist. Diese Anordnung zeichnet sich durch einen Speisewiderstand von 50 Ohm aus. Bild 13 zeigt diese Ausfüh­ rung in perspektivischer Sicht.

In den mechanischen Aufbau eines Zwei-Element-Längsstrahlers kann nach Anspruch 8 eine Yagi-Uda-Antenne oder eine andere langgestreck­ te Antenne für VHF oder UHF aufgenommen werden, die in die gleiche Richtung wie die Hybrid-Richtantenne strahlt. So ist ein Frequenz­ wechsel bei Einhaltung der gleichen Arbeitsrichtung rasch möglich, ohne daß die Antenne gedreht werden muß.

Claims (8)

1. Breitbandige Hybridantenne bestehend aus einem Dipol und einer den Dipol umgebenden Leiterschleife, dadurch gekennzeichnet,

• - daß der Dipol durch geometrische Ausdehnung quer zu seiner Achse als Breitbanddipol arbeitet,
• - daß die Leiterschleife im wesentlichen in der gleichen Ebene wie die Achse des Dipols liegt,
• - daß die Leiterschleife im wesentlichen symmetrisch zur Achse des Dipols liegt,
• - daß die Leiterschleife die Form eines Polygons hat,
• - daß die Leiterschleife mit dem Dipol galvanisch, resistiv, induktiv, kapazitiv oder mittels Kombinationen dieser Ver­ bindungsarten gekoppelt ist,
• - daß diese Kopplung von zwei Stellen, die zwischen der Mitte des Dipols und den Enden des Dipols liegen, aus erfolgt,
• - daß die Leiterschleife geschlossen oder an geeigneter Stelle offen ist und dort einfache Schaltelemente, Phasenglieder oder Resonanzglieder aufnimmt,
• - daß die Resonanzfrequenzen von Dipol und Leiterschleife durch geeignete Wahl der Abmessungen und/oder geeignete Wahl der Schaltelemente sich gegenseitig abwechseln, um Breitban­ digkeit zu erzielen.

2. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Leiterschleife die Form eines Kreises oder einer Ellipse hat.

3. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Symmetrie der Leiterschleife durch verschiedene Längen der Schlei­ fenteile aufgehoben wird.

4. Antennenanordnung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß mehrere parallel oder in Serie geschaltete Leiterschleifen verwen­ det werden.

5. Gruppenantenne nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Antennenanordnungen als Längsstrahler mit geeig­ neter, phasenverschobener Einzelspeisung als Breitbandrichtantenne verwendet werden.

6. Gruppenantenne nach den Ansprüchen 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß zwei oder mehr Antennenanordnungen als Querstrahler vertikal oder horizontal gestockt mit geeigneter, phasengleicher oder zum Zwecke des Schielens phasenverschobener Einzelspeisung verwendet werden.

7. Monopole Vertikalantenne nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung in einer Ebene, die durch die Mitte des Dipols geht und senkrecht zur Dipolachse steht, halbiert wird, wobei die untere Hälfte durch die Erde, ein Erdnetz oder eine über der Erdoberfläche liegende Groundplane ersetzt wird.

8. Antenne nach den Ansprüchen 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß in den mechanischen Aufbau solcher Kurzwellenantenne eine Yagi- Uda-Antenne oder andere langgestreckte Antenne für VHF und/oder UHF integriert ist.