DE6602438U - Breitbandige antennenanordnung, bestehend als alternierend gespeisten strahlerelementen - Google Patents

Description

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Siemens & Halske München 2, dan j I

Aktiengesellschaft Wittelsbacherplatz 2

ΡΛ

Akt.Z.: S 48 522/21 a Gbm

Breitrandige Antennenanordnung, bestehend aus alternierend gespeisten Strahlerelenenten

Die Neuerung bezieht sich auf eine breitbandige Antennensnordnung, bestehend aus eir.r Reihe von alternierend gespeisten Strahlereleiaenten unterschiedlicher Länge.

Zs sind logarithmisch periodische Dipolantennen bekannt, die aus einer Reihe von Einzelstrahlern unterschiedlicher Länge zusammengesetzt sind und von einer durchgehenden Leitung alternierend gespeist v/erden. Dabei ändern sich sowohl die Längen als auch die Abstände der einzelnen Strahlereleiaente nach einen bestimmten Gesetz in der Weise, daß für die kürzesten V/ellenläng-en kurze urci eng beieinanderliegende Strahler vorge-

Jb/Spa /J /* Λ Λ JS λ _Ä -2-

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sehen sind, während die -.Strahler elemente für die längeren Wellen größere gegenseitige Abstände und auch größere Langeausdehnung aufweisen. Derartige Antennenanordnungen sind theoretisch beliebig breitbandig, weil jeder der Dipolst eier bei seiner Arbeitsfrequenz optimal an der Speiseleitung angepaßt ist. In Wirklichkeit treten neben der durch die räumliche Begrenzung verursachten Stoßstelle auch noch besonders innerhalb der längeren Strahlerelemente Oberwellenresonanzen auf, so daß in solchen Bereichen die elektrischen Eigenschaften der entsprechend η Antennenanoidnung beeinträchtigt werden. Dies gilt vor allen Dingen für den Gewinn, die Anpassung und das Strahlurn diagramm, die sich damit bei verschiedenen Frequenzen zun Teil beträchtlich ändern. Das Resonanzverhalten der längeren Strrhlcr in bezug auf Oberwellen tritt deshalb besonders in Erscheinung, weil die Abstände der Strahler bei größer°n Wellenlängen relativ groß sind und diese deshalb resonanzscharfe Anordnungen ergeben. Der durchgehenden Dinensionierung einer derartigen Antennenanordnung nach einen einzigen Gesetz mit konstanten Psvametern sind durch die praktischen Gegebenheiten gev/isse Grenzen gesetzt, weil einerseits die Abstände der Strahler bei sehr kurzen Wellenlängen nicht beliebig klein gemacht werden können, und andererseits bei größeren Wellenlängen die Stufung von einen Strahlerelement zun anderen zu grob wird. Bei feinerer Unterteilung ergibt sic.i zwar eine gleichmäßigere Belebung, wodurch jedoch die Gesamtlänge der Antenne wesentlich vergrößert wird.

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Aufgabe der Neuerung.; ist eo vor allen, den genannten Schwierigkeiien bei einer alternierend gespeisten Reihe von Strahlerelomenten zu begegnen. Gemäß der Neuerung wird dica dadurch erreicht, daß die Antennenanordnung auo mehreren Gruppen von Strshlorc¹ formten zusammengesetzt iot, bei denen die Parameter den Bildungsge3etzec für die Lunge der Strahler jeweils innerhalb einer Gruppe konstant bleiben und sich nur bein Übergang von einer Gruppe zur anderen ändern.

Da die Antennenanordnung nunmehr auo mehreren Gruppen zusammengesetzt ist, deren Parameter des Bildungsgesetzes nur für eine Gruppe von Strahlerelenenten gleichbleibt, während durch die nächstfolgende Gruppe von einen neuen Ansatz bzw. neuen Parametern ausgegangen wird, läßt sich jede dieser Gruppe optical dimensionieren, so daß die einleitend geschilderten Schwierigkeiten an oberen und unteren Ende dec zu übertragenden Frequenzbandes weitgehend vermieden werden können

Mit besonderem Vorteil lassen sich derartige Antennenanordnungen dann ausgestalten, wenn nicht ein durchgehendes Frequenzband übertragen werden soll, sondern Frequenzbereiche j zwischen denen Lücken bestehen. Dies ist z.B. dann der Fall, wenn Anter.ncnenordnungen aufgebaut v/erden .%, die gleichzeitig in den Fernsehbereichen III unrf IV/V arbeiten sollen, während das zwischenliegende Frequenzband ohne Interesse ist. Eine durchgehende, 2.B, nach einem logarithmisch periodischen Gesetz aufgebaute Antennenanordnung müßte auch für den aicht interessierenden Frequenzbereich zwischen beiden Fernsehbändern Strahler-

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elemente aufweisen, und wäre damit ir Bereich längerer Wellen zu grob gestuft, in Bereich kurzer Wellen dagegen zu dicht mit Strahlerelementen belegt oder würde bei feiner Unterteilung eine große Langsausdehnung aufweisen.

Die Gesetzmäßigkeit, nach der die Längen und Abstände der Strahler der einzelnen Gruppen dimensioniert v/erden, kann an sich frei gewählt werden. Es hat sich jedoch als besonders zweckmäßig herausgestellt, ic:. Abstand| der Strahler innerhalb einer Gruppe konstant zu halten und so zu wählen, daß er zwischen -€|p und -^p liegt, wobei ^_max und ^_min jeweils die größte bzw. kleinste von einer Gruppe noch übertragene Wellenlänge bedeutet. Für eine Gruppe soll das Verhältnis von ■=--—

rain unter den Wert drei bleiben. Außerdem ist es zweckmäßig, wenn die Längenzunahme von einen Strahler zun anderen innerhalb einer Gruppe gleich bleibt und sich nur von Gruppe zu Gruppe ändert. Damit verläuft die Begrenzungslinie der Antennenar- . Ordnung innerhalb einer Gruppe geradlinig.

Weitere Einzelheiten der Mauerung und der danit zusar.mcr.hlrccr.-den Probleme sind anhand verschiedener Ausführungsbeispiele näher erläutert. Es zeigen:

Fi^. 1 den Aufbau einer Einzelgruppe einer Antennenanordnur.g, Fig. 2 und 3 praktische Ausführungsformen von Antennen, Pig. 4 verschiedene Antennenanordnungen in Querschnitt, Fig. 5 eine aus diei Gruppen bestehende Antenne, Fig. 6 ein Ausführungsbeispiel einer Antenne für die Fernsehbänder III und IV/V,

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ft « t f·«

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Pig. 7 und 8 den Verlauf dec Gewinns bzw. des Reflexionsfaktors in Abhängigkeit von der Frequenz.

In Fig. 1 besteht die Antenne aus einer Reihe von alternierend gespeisten Antenneneleinenten 1, die von einem Sender 2 über eine Doppelleitung 3 nit Hochfrequenzenergie versorgt werden. Ebenso ist auch der Betrieb der Antenne für den Empfang elektrocacnetiseher Wellen möglick, wobei anstelle des Senders 2 ein Izrpf εη£,ε-1 geiät tritt. Für die Auslegung dieser Antenne, die einen nweck-V mäßigen Grundbaustein einer aus mehreren Gruppen zusamme r.£e- ι setzten Antennenanordnung bildet, aber auch - bei kleineren Eandbreiten - für sich selbst als Einzelleitung verwendbar ist, werden vorteilhaft folgende Bemessungsregeln angewandt: Ist. min die kleinste zu übertragende Betriebswellenlange ur.d max die größte, wobei inaxs 3 · min gehalten wird, so soll für den Abstand s gelten:

max -s. s =ξ min /. \

_„_ —-^- . UJ

Für ein gutes Funktionieren der Antenne ist normalerweise bei Bes lirankung der Bandbreite auf etwa 1 Oktave eine Bemessung von

max «t s -ε min /_o\

~24" ^ VT ^{2)

ausreichend. Dabei soll die länge 1.. des ersten Dipols nicht kürzer sein als 0,38 λ _Λ , die Länge l_w des längsten Dipols nicht größer als 0,52 λ__ . Als weiterer Grenzwert gilt für die Lunge I₁ den ersten kürzesten Dipols ein Wert von angenähert ^u 0,42 λ_πΑη» für den letzten längsten Dipol ein Wert für 1^ vcn

t t ··

;I|C

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0,48 λ_Ε3χ. Somit gilt

0.38 X_1111nSl₁S 0,42 \_min . (3)

Dabei ist davon ausgegangen, daß die Dipolstäbe einen Durch-

λ . ■
messer von etwa -"f^Tj haben. Diese Werte sind in der Weise von der Dicke der Dipole und der Speiseleitung abhängig, daß dünnere Dipole und dickere Leitungen die größten Strahlerlängen crgetcn. Die Dipollänge 1 des η-ten Dipole in der Reihe ist

I_n = I₁ + (n-1) · Δ1 (5)

und die gesamte Antennsnlängc L beträgt bei N Dipolen L = (H-I) · 3 . (6)

Die Anzahl N der Dipole und der L&ngenzuwachs Δ1 von Dipol zu Dipol sind von den erforderlichen Eigenschaften abhängig. Je größer N und je kleiner Δ1 gewählt v/ird, deoto großer ist die Bündelung und der Gewinn. Auch bleiben damit die Antrnneneigenschaften auf dem gesamten Frequenzbereich gleichmäßiger. Normalerweise wählt man Δ1

λ . λ .

ΔΙ - -^y Dia -^₀- { I )

;.<-:■ ..·.·/·* t: K^, jedoch sind auch kleinere \'t<··-- .,. )/Ί ; ;■};. Jiea ergibt dann den Haclitcil, daß U und ml.r r,■ ■-ii .ν '-'·η. Da

I_n - I₁ = (N-1) · Δ1 (8)

ist, ergibt sich angenähert

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und für eine BandKeite von einer Oktave ist

(10)

UJ.

Für einen Wert von

λ . } ■

*i .-^l »α . --f|S tu)

ergibt sich beispielsweise ein Verhältnis Δ1 - 1/3, eine Dijolzahl N von 19>4 und eine Antennenlänge

L = 1,53 \nin = 0,765 Naax . (12)

Die bauliche Ausführungsfora einer solchen alternierend gespeioten Dipolreihe zeigt Fig. 2. Die Strahlerelemente 4a bis 4e bzw. 5a bi3 5e sind jeweils auf zwei Tragro^ren 6 bzw. 7 befestigt, die zugleich auch die Speiseleitung bilder. In Innern des Tragrohres 6 wird von Antennenende her ein Koaxialkabel 8 bis nahe zun . ußpunkt dej ersten Dipols 4a, 5a geführt, v,o das Tragrohr 6 endet und der Kabelaußenleiter mit den Rohr 6, der Kabelinnenleiter nit den Traßrohr 7 verbunden ist. An anderen Ende i3t die aus den Rohren 6 ur.d 7 gebildete Doppelleitung durch einen auch als Befestigungsvorrichtung für die Antenne verwendbaren Flansch 9 in Abstand von etwa λ/8 bis λ/4 von letzten Dipol kurzgeschlossen. Günntiß sind verbalinicir.UQig dicke oder flüchrr.haft ausgebildete Dipole.

Für sehr kurze Wellen ist ein Aufbau der Strahleranordnung in der in Fig. 3 beschriebenen WeJSse vorteilhaft; wobei zwei durch Stanzen hergestellte, gebahnte Blechstreifen 10 und 11 vorgesehen sind, die übereinander gelegt werden und durch Isolierstücko gegeneinander abgestützt sind. Der Abstand der

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einzelnen Spitzen voneinander, sowie deren seitliche Ausdehnur.g lassen sich nach den in Zusammenhang mit Pig. 1 für einzelne Sti"ahlerelenente erläuterten Prinzipien auslegen.

In Fig. 4 sind einzelne Leitungsarten im Querschnitt dargestellt, wobei die Pig* (a) einen der Fig. 2 entsprechenden. Aufbau der Speiseleitung zeigt, die Fig. (b) zwei Leiter in flilchcnliäfter-Anordnung quer su den Strahlerelenentej·; die Fig. (c)Ar.crc'-nungen, bei denen die Strahler und die Speiseleitung aus den gleichen Material bestehen, z.B. in der in Fig. 3 gezeigten Weise aus durchgehenden Blechteilen gestanzt sind, wobei an einem der Leiter jeweils dio Speiseleitung bis zur Spitze der Antenne durchgeführt ist. In der Pig, (d) sind zwei rohrfünr.i£e Träger vorgesehen, die zur Versteifung der flächenhaften Antennengebilde dienen, während in Fig. (e) die Strahler aus Winkelmaterial gebildet sind. Dadurch kanr der Abstand der Dipole von der Mittelachse verändert werden, ohne daß sich die Parallelführung der Leiter ändert. Pur den Eingangswiderstand ist der Aufbau der Anschlußstelle als Koaxialkabel und vor allen der Wellenwiderstand der Parallelleitung maßgebend. Da die Leitung hauptsächlich von der Speijestelle bis zur jeweils abstrahlenden Zone wirksam ist, wo die Dipole etwa Resonanzlänge haben, wird die Leitung durcli die angeschlossenen kürzeren Dipole kapazitiv belastet. Dies muß bei der Dinensicnierurg der Leitung und ihrer Anpassung an den Kabelweilenwiderctend berücksichtigt werden. Gegebenenfall? kann der Abstand etwss variiert oder die Leitung gegen das Ende hin leicht aufgespreit^t werden. Durch die Hinsunahme von Bandleitungen ist eine größere Variation des Wellenwiderstandes und eine ver-

t < «in

ι ι *

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η besserte Trägerkonstruktion möglich. Die Halterung der Leitung

muß durch hochwertige Isoliermaterialen so vorgenommen werden, daß die Wellenwiderstandsopannung s möglichst klein bleibt. Die Antennen und/oder die Leitungen können auch durch metallische Flächen auf isolierenden Unterlagen gebildet werden«

Ist der Frequenzbereich größer als z.B. 1 Oktave, so wird die |

Antenne aus einer entsprechenden Anzahl von Gruppen aufgetaut» j

j s wie dies in Fig. 5 angedeutet ist. Die dargestellte :

Antenne besteht aus den Gruppen A, B und C, w>bei innerhalb jeder Gruppe die Abstände der Dipolstrahler gleich sind, jedoch die Abstände der Strahler verschiedener Gruppen (s,, s^ und s_c) untereinander verschieden sind. Von einer Gruppe zur anderen kann s maximal verdoppelt werden, doch ist eine geringere Stufurg meist günstiger. In selben Verhältnis wie s wird nach den im Zusanimenhang mit Fig. 1 erläuterten Gesetzen bein Übergang ven

einer Gruppe zur anderen auch die Längenzunahme der Strahler i

geändert. Die Bedingungen der Gleichungen (3) bzw. (*f) bleiben für den Anfang unrt das Ende der gesamten Antenne bestehen.

In Fig. 6 ist eine Anterm ^anordnung dargestellt, bei der zwei Gruppen vorgesehen sind, die zun Empfang von nicht benachbarten Frequenzbereichen dienen. Die Antenne besteht aus den Gruppen und 15, wobei die Gruppe 14 für den Smpfang des Fernsehbandes III, die Gruppe 15 für den Empfang der Bänder IV/V ausgelegt ist, so daß zwischen beiden ein Frequenzband besteht,aus dem keine Signale empfangen werden sollen. Für die beiden Bereiche wird jede der Giappen 14 u^_ 15 für sich dimensioniert und beide Gruppen sind auf eine gemeinsame Speiseleitung, die in Irreren

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des Tragrohres 16 verläuft, ohne Weichenanordnungen zusemmenge-Gchaltet. Die Abmessungen der Antenne sind maßstabsgetre . wiedergegeben. Die Speisung der Strahler erfolgt über isolierte Durchführungen von einer in Inneren des Tragrohreo 16 vei c >fenden Leitung in der Art der in Pig. 1 ski^ierten Anordnung. Die einzelnen Strahlereleraente sind alternierend gespeist und isoliert gegenüber den Tragrohr 1 angeordnet und in dessen Inneren mit der Speiseleitung verbunden. Die Dicke der Strchlerelecente bleibt innerhall· einer Gruppe konstant und ändert sich nur beim Übergang vor einer Gruppe zur anderen in der Weise, daß Crupfen mit größerer Betriebswellenlänge dickere Strahler aufweisen als solche für kleinere Wellenlängen. Die Länge der Antennen ist gegenüber einer durchgehend von unteren Ende deo Pernschtar.dea III bis zum oberen Ende deo Bandes IV/V reichenden Antennenunordr.urg erheblich verkürzt ohne daß dabei die Betriebseigenschaften verschlechert wären. In Gegenteil ist durch die enge Belegung rait Strahlerelercenten für die beiden Frequenzbereiche eine günstige Auslegung hinsichtlich der Anpassung und der Strahlungseigenschaften möglich. Die Gruppe H beginnt mit oiner Länge der

cm
Dipolhälften von 6,b/und hat ein Δ1 von 0,31 ca; die Gruppe 15

beginnt mit einer Länge von 26,0 cn der ersten Dipolhälfte und hat ein Δ1 von 10,3 cm. Die Strahler der Gruppe 15 sind dicker als die der Gruppe 14.

Die elektrischen Eigenschaften dieser Antenne ergeben Is"'. # -'^ sich aus Fig. 7, die den Verlauf des Gewinns und aus Fig„ 8, in der der Reflexionsfaktor dieser Antennencnordr.urg dargestellt ist. Die gezeigten Werte liegen im wesentlichen günstiger als die mit einer nach einen durchgehenden Gesetz

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dimensionierten Antenne erziolbaren Werten. Die Halbwertslreite liegt für äaa Horizontaläiagramia zwischen 50° und 60 , ifn Vcrtikaldiagrainn zwischen 70° und 90°. In gesamten interessierenden Frequenzbereich ist in hinteren Halbraun die größer als 20 db.

8 Figuren

9 SoBtut-zahsprüche

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Claims (9)

1..Breitbandige Antennenanor3nung, bestehend aus einer Eeihe vcn alternierend gespeisten 3trahlerelecenten unterschiedlicher länge, dadurch gekennzeichnet, daß die Antennenanordnung aus (4ehreren Gruppen von Strahlerelementen zusiuainengesetzt ist, bei denen die Parameter des Bildungsgesetzec für die länge der Strahler jeweils innerhalb einer Gruppe konstant bleiben und sich nur bein Übergang von eintx Gruppe zur anderen äidcin.

2. AntenrenarOrdnung rieh Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß bei Üb* rtragung nicht aneinandergrenzender Frequenzbereiche jeweils nur für die vorgegebenen Frequenzbereiche Gruppen von Gtrahlerelenenten vorgesehen

3. Av.tennenanordnung nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, daß die einzelnen Gruppen ohne V/eichene leinen te direkt über die durchgehende Leitung miteinander verbunden oir.d.

4. Anter.nenanordnung nach eine:n der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstünde der Strahlerelerr.cnte \;:it,ero lander innerhalb einer Gruppe konstant gehalten sind und für die einzelnen Gruppen unterschiedliche Werte aufweisen.

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5. Antennenanordnung nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Abstände der Strahlerelemente einer Gruppe bei einer von dieser Gruppe zu übertragenden maximalen Wellenlänge und minimalen Wellenlänge ^_m±n zwischen -^- und -~|

gewählt sind.

6. Antennenanordnung nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet,

"max

f. daß das Verhältnis von ϊ—·²^ innerhalb einer Gruppe von

min
"V Strahlern unter den Wert drei gewählt ist.

7. Antennenanordnung nach Anspruch 5 oder 6, £dadurch gekennzeichnet, daß die LängenLunahme Δ1 von einen Strahler zum

anderen innerhalb einer Gruppe konstant bleibt und zwischen

λ . λ .

—4ΐ~ und -ETp gewählt ist.

8. Antennenanordnung nach einem der Ansprüche 5 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Länge des kürzesten Strahlers einer

-\ Strahlergruppe zwischen 0,38 und 0,42 λ . und die des längsten Strahiere zwischen 0,48 und 0,52 L„„ liegt.

Λ? ill Cl Uta

9. Antennenanordnung nach einen der vorhergehenden Ansprüche,

die Dicko
dadurch gekennzeichnet, daß/der Strahler innerhalb einer

Gruppe konstant ist und von Gruppe zu Gruppe mit zunehmender Betriebs-V/ellenlänge größer wird.