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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf vertikal polarisierte Antennen,
die aus einer vertikalen, länglichen
Tragkonstruktion bestehen und deren Dipole auf verschiedenen Höhen entlang
der Tragkonstruktion angeordnet und an ein Koaxial-Stromversorgungskabel
angeschlossen sind.
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In
Dokument WO 97/45892 wird eine solche Antenne beschrieben, explizit
eine azimutale Rundstrahlantenne, die über mindestens zwei Dipole
auf der gleichen Höhe
der vertikalen Tragkonstruktion verfügt. Die Dipole und die über das
Koaxialkabel angeschlossenen Stromversorgungssysteme sind in die
Tragkonstruktion integriert und bilden eine Symmetriereinheit.
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Die
Tragkonstruktion dieser bisher bekannten Antenne besteht aus zwei
identischen Metallprofilen, die in einem genau festgelegten Abstand,
parallel zueinander verlaufend durch Isolierverbindungen befestigt
sind. Diese Profile enthalten jeweils ein Mittelstück in Form
einer Längsrinne
und zwei einander entgegengesetzte, flache Seitenstränge. Sie
sind jeweils mit der Rückseite
zueinander montiert, wobei die beiden Längsrinnen nach außen zeigen
und ihre Seitenstränge
paarweise, gegenüber
und in dem durch die Profile definierten Abstand angeordnet sind.
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Die
Dipole und ihre Stromversorgungssysteme sind in den flachen Seitensträngen der
beiden Profile untergebracht, wobei die beiden Anschlussadern jedes
Dipols in zwei gegenüber
angebrachte Seitenstränge
integriert und entsprechend gebogen sind, um bei der Befestigung
der beiden Profile den Dipol zu bilden.
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Das
Koaxial-Stromversorgungskabel führt
in einen der Endpunkte dieser Konstruktion. Der Außenleiter
des Kabels ist ohne galvanische Trennung mit einem ersten der beiden
Profile verbunden. Der Innenleiter ist ohne galvanische Trennung
mit einem Hilfsleiter verbunden, der in der Rinne des gleichen ersten
Profils montiert ist und auf Abstand zu den Wänden dieser Rinne geführt wird,
um die Koaxialstruktur der Stromversorgung wiederherzustellen. Auf
diese Weise verläuft
er bis zur halben Höhe
des ersten Profils, von wo aus er mit einer Koaxialverbindung an
das zweite Profil angeschlossen wird, um die symmetrische Stromversorgung
der auf beiden Seiten der Mittelebene gelegenen Dipole zu gewährleisten,
indem eine Symmetriereinheit gebildet wird.
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Eine
solche Antenne sendet ein vertikal polarisiertes Signal, das omnidirektional
im Azimutwinkel ausgestrahlt wird, insofern die Antenne zumindest zwei
Dipole pro Vertikalebene besitzt. Die Antenne sendet ein vertikal
polarisiertes Signal, das richtungsabhängig im Azimutwinkel ausgestrahlt
wird, wenn sie nur einen Dipol pro Vertikalebene besitzt.
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Das
vertikal polarisierte Azimutsignal dieser Antenne weist außerdem eine
Komponente mit Fehlpolarisation auf, die horizontal verläuft und
ein Merkmal vertikal polarisierter, mit Dipolen bestückter Antennen
ist und die vorwiegend durch die Strahlung der horizontalen Metallabschnitte
der Antenne verursacht wird. Diese horizontale Polarisationskomponente
ist zwar wesentlich schwächer
als die vertikale Hauptkomponente, sie bewegt sich in der Regel
in einem Bereich von 12 bis 15 dB unter deren Wert, ihre Wirkung
ist jedoch nicht erwünscht,
da sie die Funktion anderer, benachbarter Antennen stören könnte.
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Die
Herstellung der bekannten, vorher genannten Antenne ist außerdem relativ
komplex und kostspielig. Überdies
kann sie aufgrund ihrer mechanischen Konstruktion nur für den Betrieb
niedriger und mittlerer Frequenzen eingesetzt werden.
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Im
Patentantrag US-3.969.730 wird eine vertikal polarisierte, omnidirektionale
Schlitzstrahlantenne definiert, die hergestellt wird, indem zwei
getrennte Metallplatten zu Doppelschlitzen gebogen werden, um auf
diese Weise Faltschlitze zu bilden, die über mittig zwischen den Metallplatten
verlaufende Mikroband-Leitungen mit Strom versorgt werden.
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Das
Ziel der vorliegenden Erfindung besteht darin, eine vertikal polarisierte
Antenne herzustellen, deren Bauweise einfach ist und die Möglichkeit
bietet, die Kreuzkomponente der vertikalen Polarisation zu minimieren.
Ein weiteres Ziel ist die Herstellung einer Antenne, die sowohl
eine mechanische Konstruktion als auch einen gedruckten Schaltkreis
aufweisen kann, damit sie für
niedrige und mittlere Frequenzen oder für Ultrahochfrequenzen eingesetzt
werden kann.
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Gegenstand
der vorliegenden Erfindung ist eine vertikal polarisierte Antenne,
die aus einer vertikalen, länglichen
Tragkonstruktion besteht und deren Dipole auf verschiedenen Höhen entlang
dieser Tragkonstruktion angeordnet und an ein Koaxial-Stromversorgungskabel
angeschlossen sind, dadurch gekennzeichnet, dass sie pro Höhenstufe
nur einen der genannten Dipole enthält und dass die genannten Dipole
koplanar und exakt kolinear, jedoch in umgekehrter Richtung zueinander
auf einer Fläche der
genannten Konstruktion, nämlich
der Antennenvorderseite angeordnet sind.
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Die
genannte Antenne kann zumindest eine der nachfolgend genannten zusätzlichen
Eigenschaften aufweisen:
- – Die genannten Dipole sind
in zwei Gruppen eingeteilt, wobei diese beiden Gruppen in umgekehrter
Richtung zueinander angeordnet sind.
- – Die
Antenne enthält
eine Erdungsfläche,
die seitlich von jeder Dipolgruppe und koplanar dazu verläuft, und
eine Stromversorgungsleitung, die seitlich von jeder Dipolgruppe
und auf einer anderen Ebene als die Erdung, jedoch parallel dazu verläuft, wobei
die genannte Erdungsfläche
und die genannte Stromversorgungsleitung jeweils einen ersten Teilabschnitt
auf einer ersten Seite entlang einer der genannten Dipolgruppen,
einen zweiten Teilabschnitt auf der anderen Seite entlang der anderen
Dipolgruppe und einen mittleren, zwischen den beiden Gruppen verlaufenden Verbindungsabschnitt
darstellen, außerdem
sind auf dem genannten ersten und zweiten Teilabschnitt der genannten
Erdungsfläche
und der genannten Stromversorgungsleitung jeweils Stege angebracht,
die mit den genannten Dipolen verbunden sind.
- – Das
genannte Koaxial-Stromversorgungskabel wird über die Erdungsfläche bis
zu einem mittleren Punkt des Verbindungsabschnitts der genannten
Erdungsfläche
geführt
und an einen mittleren Punkt des Verbindungsabschnitts der genannten Stromversorgungsleitung
angeschlossen, und zwar über
einen Koaxialausgang der zwischen den beiden mittleren Punkten der
genannten Erdungsfläche
und der genannten Stromversorgungsleitung vorgesehen ist.
- – Die
Antenne ist mit einem Reflektor ausgestattet, der mit den genannten
Dipolen verbunden und gegenüber
den Seiten der genannten Konstruktion installiert ist, die entgegengesetzt
zu der Seite liegt, die die genannte Antennenvorderseite bildet.
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Die
Eigenschaften und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden anhand
der Beschreibung einer vorteilhaften Ausführungsweise deutlich, die beiliegenden
Zeichnungen dienen zu deren Illustration.
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Erläuterung dieser Zeichnungen
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Die 1 und 2 zeigen
eine omnidirektionale Antenne gemäß der vorliegenden Erfindung
in Vorder- bzw. Rückansicht;
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In 3 ist
das azimutale Strahlungsdiagramm der Antenne gemäß 1 und 2 dargestellt;
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Die 4 stellt
die Funktionsweise der Antenne gemäß 1 und 2 dar;
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Die 5 zeigt
eine Adaptation der Antenne gemäß 1 und 2,
die in dieser Form eine richtungsabhängige Antenne gemäß vorliegender
Erfindung darstellt;
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In 6 ist
das Strahlungsdiagramm der richtungsabhängigen Antenne gemäß 5 dargestellt.
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Die
in 1 und 2 dargestellte omnidirektionale
Antenne ist eine Konstruktion mit gedrucktem Schaltkreis, sie kann
jedoch ebenso gut als mechanische Konstruktion ausgeführt werden.
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Sie
umfasst eine Anordnung von sechs Halbwellen-Dipolen, mit den Nummern 1 oder 2 gekennzeichnet,
die koplanar und exakt kolinear sowie in umgekehrter Richtung zueinander
angeordnet sind. Diese Dipole sind auf eine Vorderseite eines dielektrischen
Trägermaterials 3 gedruckt,
das in länglicher Form
und in der entsprechenden Festigkeit ausgelegt ist und die Tragkonstruktion
der Antenne darstellt. Die Dipole sind auf dem Trägermaterial
in zwei identische Gruppen eingeteilt und jeweils entsprechend ihrer
Gruppenzugehörigkeit
mit 1 oder 2 gekennzeichnet, die Gruppen sind
umgekehrt zueinander ausgerichtet.
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Diese
Antenne ist planar und besteht aus einer Kombination der beiden
grundlegenden Antennensysteme, die jeweils die gleiche Anzahl an
Dipolen aufweisen, d.h. beide Systeme haben jeweils eine geringere
Anzahl an Dipolen als die daraus resultierende Antenne. Durch den
Einsatz dieser Kombination wird ein fast vollständig omnidirektionales Diagramm
der resultierenden Antenne erzielt.
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Natürlich kann
die Antenne je nach gewünschtem
Verstärkungsgrad
eine beliebige Anzahl an Dipolen umfassen.
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Auf
dem Trägermaterial 3 befinden
sich außerdem
die Stromversorgungssysteme für
die Dipole, insgesamt mit der Nummer 4 bezeichnet, sie
sind auf beide Seiten des Trägermaterials
gedruckt. Diese Stromversorgungssysteme enthalten eine Erdungsfläche 5 auf
der Vorderseite und eine Stromversorgungsleitung 6 auf
der Rückseite
des Trägermaterials.
Sie sind seitlich an die beiden Dipolgruppen angeschlossen und mit
horizontalen Viertelwellen-Stegen 7 und 8 ausgestattet,
die der Versorgung der Dipole dienen.
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Die
Erdungsfläche 5 und
die Stromversorgungsleitung 6 umfassen jeweils zwei analoge,
einander gegenüberliegende
Teilabschnitte, die jeweils entlang des ersten Rands und exakt bis
zur Mitte des zweiten Rands des Trägermaterials verlaufen, sowie einen
mittleren Verbindungsabschnitt, der leicht schräg vom ersten zum zweiten Teilabschnitt
verläuft und
zwischen den beiden Dipolgruppen verläuft. Die von der Erdungsfläche ausgehenden
horizontalen Stege 7 sind paarweise nebeneinander angeordnet und
werden auch als Doppelstege bezeichnet, sie führen direkt zu den beiden Strahlungsgliedern
der Dipole. Die von der Stromversorgungsleitung ausgehenden horizontalen
Stege 8 sind Einfachstege und durch geschweißte, das
Trägermaterial
durchlaufende Metalleinsätze 9 nur
mit einem der Strahlungsglieder der Dipole verbunden.
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Ein
Koaxialkabel 10 übernimmt
die Stromversorgung bis zu einem mittleren Punkt der Antenne 11.
Bis dahin verläuft
es entlang der Erdungsfläche 5 und
wird von ihr verdeckt. Das Kabel ist mit seiner Hülle und
dem Elektroanschluss seines Außenleiters an
die Erdungsfläche
geschweißt.
Sein Innenleiter ist über
eine Schweißverbindung
an die Stromversorgungsleitung 6 angeschlossen und verläuft durch
einen Koaxialausgang im mittleren Punkt 11, er ist ebenfalls
mit der Nummer 11 gekennzeichnet. Dieser Koaxialausgang
wird mittels einer Durchführung durch
das Trägermaterial
und einer entsprechenden, jedoch etwas größer gehaltenen lokalen Entmetallisierung
der Erdungsfläche
hergestellt.
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Auf
diese Weise wird die Antenne in ihrem Mittelpunkt direkt über das
Koaxialkabel mit Strom versorgt, um damit eine symmetrische und
phasengleiche Versorgung der verschiedenen Dipole zu gewährleisten.
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In 1 ist
zwischen den beiden Dipolgruppen ein geringer Abstand d dargestellt,
der die Möglichkeit
bietet, die Phasenzentren der Dipole beider Gruppen abzugleichen,
um damit die geringe Verschiebung aufgrund der Wirkung der Erdungsfläche auf
die Dipole zu kompensieren. Der Wert dieses Abstands ist sehr gering,
er liegt in einem Bereich von wenigen Millimetern. Dieser Wert hängt von
der Betriebsfrequenz der Antenne ab und wird in der Praxis auf die
jeweilige Frequenz eingestellt. Der auf diese Weise eingestellte
Abstand ermöglicht
es, die Welligkeiten des von der Antenne ausgesandten Signals zu minimieren,
sie liegen unter 2 dB im Verhältnis
zur maximalen Antennenstrahlung.
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Diese
Antenne wird mit einer Radarhaube montiert, die in der Abbildung
nicht dargestellt ist, jedoch den handelsüblichen Modellen entspricht.
Diese zylindrische Radarhaube kann an ihrem oberen Ende mit einem Überspannungsableiter
ausgestattet werden, der über
ein Teilstück
des Antennenkabels oder der Erdungsfläche angeschlossen wird.
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In 3 ist
das azimutale Strahlungsdiagramm der Antenne mit einer Skalierung
von 5 dB pro Teilung dargestellt. Es ist daraus zu ersehen, dass
die azimutale Strahlung fast vollständig omnidirektional verläuft und
auf beiden Seiten der Antenne, die den mit 90° und –90° gekennzeichneten Winkelpositionen
entsprechen, nur geringe Welligkeiten in Höhe von maximal 2 dB im Verhältnis zum
Höchstwert
der Antennenstrahlung aufweist.
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In 4 ist
dargestellt, wie die vertikale Polarisation des von der Antenne
ausgestrahlten Signals erzielt wird, die aus der Kombination der
vertikalen Polarisationskomponenten Ev für die Signale der verschiedenen
Dipole resultiert. Aus der Abbildung geht außerdem hervor, dass die horizontalen
Polarisationskomponenten Ec für
die Signale der beiden umgekehrten Dipolgruppen entgegengesetzt
zueinander verlaufen und die Tendenz haben, sich gegenseitig aufzuheben.
Dieser Sachverhalt bietet in der Praxis die Möglichkeit, eine Antenne mit
vertikaler Polarisation zu konstruieren, deren gekreuzte oder horizontale
Komponente sehr schwach ist, sie bewegt sich in einem Bereich von
20 dB unter dem Wert der vertikalen Polarisation.
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Diese
Antenne kann für
alle Frequenzen eingesetzt werden, für die eine Dipolgruppierung
durchführbar
ist, und dies beispielsweise als mechanische Konstruktion für niedrige
und mittlere Frequenzen sowie als Konstruktion mit gedrucktem Schaltkreis
für Ultrahochfrequenzen.
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Unabhängig von
den in Zusammenhang mit den in 3 und 4 beschriebenen
Strahlungseigenschaften gewährleistet
die planare Form der Antenne eine Platz sparende Form und ein geringes Gewicht.
Die Abmessungen der Antenne als Konstruktion mit gedrucktem Schaltkreis
betragen dementsprechend nur 330 × 60 × 1,5 mm bei einem Einsatz
bei 3,5 GHz.
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Ihre
Bauweise ist sehr einfach, sie gewährleistet eine schnelle Montage,
hervorragende Reproduzierbarkeit und dadurch geringere Kosten. Die Montage
der Antenne als Konstruktion mit gedrucktem Schaltkreis beschränkt sich
auf die Installation des Koaxial-Stromversorgungskabels. Bei der
Montage einer Antenne mit mechanischer Konstruktion muss natürlich vorher
eine in geeigneter Weise verarbeitete Metallplatte zur Nachbildung
des Schaltkreises auf der Vorderseite der oben beschriebenen Antenne
montiert werden sowie eine Stromversorgungsleitung, die mit den
genannten horizontalen Stegen ausgestattet und gegenüber der
Metallplatte isoliert ist.
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In 5 ist
eine Richtungsantenne dargestellt, die im Vergleich zur omnidirektionalen
Version gemäß 1 und 2 zusätzlich mit
einem Reflektor 20 ausgestattet ist. Die wesentlichen Bezeichnungen
in 5 entsprechen den Bezeichnungen der vorher genannten
omnidirektionalen Antenne. Der Reflektor 20 ist hinter
dem Trägermaterial
in dessen unmittelbarer Nähe
angeordnet. Er ist in 5 im Querschnitt in U-Form dargestellt,
die Ränder
seiner Seitenschenkel sind exakt bündig mit dem Trägermaterial.
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Alternativ
dazu kann der Reflektor auch vor dem Trägermaterial angebracht werden.
In diesem Fall durchdringen die Strahlen der Dipolgruppen das Trägermaterial.
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Aus 6 geht
hervor, dass das azimutale Strahlungsdiagramm der Antenne gemäß 5 eine
Richtcharakteristik aufweist, die durch Verzerrung und präzise Ausrichtung
des omnidirektionalen Strahlungsdiagramms erzeugt wurde, wie dies
in 3 der Ausgangsantenne ohne Reflektor dargestellt
ist.
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Außerdem ist
festzuhalten, dass die Form, die Größe und die Position des Reflektors
dieser Richtungsantenne die Möglichkeit
bieten, das omnidirektionale Strahlungsdiagramm der Ausgangsantenne
mehr oder weniger zu verzerren, um das gewünschte, azimutale Richtungsdiagramm
zu erhalten. Das Signal dieser Richtungsantenne wird vertikal polarisiert
und weist, ebenso wie die omnidirektionale Ausgangsantenne ohne
Reflektor, eine sehr schwache Fehlpolarisation auf.
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Diese
Richtungsantenne weist im Übrigen die
gleichen Vorteile auf wie die vorher genannte omnidirektionale Antenne.