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TECHNISCHES
GEBIET
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Die vorliegende Erfindung bezieht
sich auf eine Spiralantenne, die durch einen einzigen Draht gebildet
ist, und insbesondere auf eine Spiralantenne, durch die ein abgelenkter
Richtstrahl gebildet werden kann.
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TECHNISCHER
HINTERGRUND
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Im Bereich des Mobilfunks und des
Satellitenfunks wird im Allgemeinen eine Kommunikationstechnik angewandt,
die zirkular polarisierte Wellen verwendet. Bei der Kommunikationstechnik,
die diese zirkular polarisierten Wellen verwendet, werden gewöhnlich Wendelantennen
und Spiralantennen, die zirkular polarisierte Wellen senden und
empfangen können,
eingesetzt.
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Eine Wendelantenne besitzt einen
maximalen Richtfaktor in Richtung der Achse ihrer Wendel, während eine
Primärmoden-Spiralantenne
in einer zur Antennenoberfläche
senkrechten Richtung einen maximalen Richtfaktor aufweist. Eine
Sekundärmoden-Spiralantenne
besitzt zweiseitige Strahlungscharakteristiken.
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Jedoch gibt es im Bereich der Kommunikationstechnik
Fälle,
in denen eine bestimmte Kommunikationsrichtung erforderlich ist,
wie beispielsweise beim Satellitenfunk. Wenn in dieser Weise eine
spezifische Kommunikationsrichtung gegeben ist, muss die Antennenkeule
so gesetzt werden, dass sie mit deren Richt- und Seitenwinkel übereinstimmt.
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Deshalb ist die Antenne herkömmlicherweise
so zusammengesetzt, dass der Richtwinkel der Antennenkeule durch
Neigen der Antenne selbst auf den Richtwinkel der Kommunikationsrichtung
abgestimmt werden kann, wobei die Antenne insgesamt drehbar ist,
so dass sie dann, wenn sie in eine Mobilstation eingebaut ist, mit
dem Seitenwinkel der Kommunikationsrichtung ausgerichtet werden
kann.
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Wenn die Antenne selbst jedoch so
geneigt ist, dass der von der Antenne gesendete Richtstrahl einen
spezifischen Richtwinkel besitzt, nimmt die dem Wind ausgesetzte
Oberfläche
der Antenne zu, weshalb es erforderlich wird, die Antennenbefestigungsmittel
zu verstärken.
Außerdem
nimmt die Höhe
der Antenne zu, weshalb die Gefahr besteht, dass sie dann, wenn
sie in eine Mobilstation eingebaut ist, eine Maximalhöhe übersteigt.
Eine Lösung dieses
Problems ist in dem Artikel "Radiation
characteristics of a spherical helical antenna" von A. Safaai-Jazi u. a. angegeben,
der einen einzigen Draht, der um eine Kugel gewickelt ist, vorschlägt, wobei
der Umfang der Kugel auf 2,8λ festgelegt
ist, um den Richtstrahl abzulenken.
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Deshalb ist es eine Aufgabe der vorliegenden
Erfindung, eine Einzeldraht-Spiralantenne
zu schaffen, bei der die dem Wind ausgesetzte Oberfläche der
Antenne verkleinert werden kann, die Höhe der Vorrichtung verkleinert
werden kann und die Strahlungskeule einer zirkular polarisierten
Welle abgelenkt werden kann.
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OFFENBARUNG
DER ERFINDUNG
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Um die oben genannte Aufgabe zu erfüllen, ist
in der Einzeldraht-Spiralantenne der vorliegenden Erfindung eine
durch einen einzigen Draht gebildete Spiralantenne über der
Masseebene in einem vorgeschriebenen Abstand hiervon positioniert
und ist der Spiralumfang der Spiralantenne, wenn die Wellenlänge mit λ bezeichnet
wird, im Bereich von 2λ bis
3λ festgelegt.
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Ferner ist der Spiralumfang eines
durch einen einzigen Draht gebildeten Spiralantennenelements, wenn
die Wellenlänge
mit λ bezeichnet
wird, im Bereich von 2λ bis
3λ festgelegt
und sind mehrere der Spiralantennenelemente über einer reflektierenden Platte
in einem vorgeschriebenen Abstand hiervon positioniert.
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In einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung dieser Art ist es möglich, einen
Richtstrahl in Bezug auf die zur Antennenoberfläche senkrechte Achse abzulenken,
wobei die Spiralantenne durch Ausrichten des Richtwinkels des Richtstrahls
mit der Kommunikationsrichtung in einer horizontalen Ebene errichtet
sein kann. Deshalb kann die Stellhöhe einer Spiralantenne, die
geeignet ist, einen Richtstrahl in einem gewünschten Richtwinkel zu senden,
verkleinert werden, kann die dem Wind ausgesetzte Oberfläche der
Antenne verkleinert werden und kann verhindert werden, dass die Antenne auch
dann, wenn sie in eine Mobilstation eingebaut ist, ein Höhenlimit überschreitet.
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Ferner sollten auch dann, wenn eine
Gruppe aus Einzeldraht-Spiralantennen dieser Art gebildet ist, mehrere
Antennen in horizontaler Richtung angeordnet sein, so dass sich
keine Zunahme der Stellhöhe
der Spiralantenne ergibt.
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KURZBESCHREIBUNG
DER ZEICHNUNG
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1a ist
ein Grundriss, der die Struktur einer Ausführungsform einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung zeigt; während 1b ein Seitenriss derselben
ist;
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2 zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der Y-Z-Ebene einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der X-Y-Ebene einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der X-Z'-Ebene einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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5 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines Strahlungsdiagramms einer Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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6 ist
ein Diagramm zur Beschreibung von zu einer Gruppe aufgestellten
Einzeldraht-Spiralantennen gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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7 zeigt
die Struktur von zu einer Gruppe aufgestellten Einzeldraht-Spiralantennen
gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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8a zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der Y-Z-Ebene von zu einer Gruppe aufgestellten
Einzeldraht-Spiralantennen gemäß der vorliegenden
Erfindung; während 8a ein Strahlungsdiagramm
in der X-Z'-Ebene
derselben zeigt;
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9 zeigt
Achsenverhältnis-
und Verstärkungskennlinien
in Bezug auf die Frequenz für
zu einer Gruppe aufgestellte Einzeldraht-Spiralantennen gemäß der vorliegenden
Erfindung.
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BESTE ART
DER AUSFÜHRUNG
DER ERFINDUNG
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In 1a und 1b ist die Struktur einer Ausführungsform
einer Einzeldraht-Spiralantenne gemäß der vorliegenden Erfindung
gezeigt. 1a ist ein
Grundriss einer Einzeldraht-Spiralantenne, während 1b ein Seitenriss derselben ist.
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Wie in diesen Diagrammen gezeigt
ist, ist eine Einzeldraht-Spiralantenne 1 so positioniert, dass
die Antennenoberfläche
parallel zu einer Masseebene 2 ist und durch einen Abstand
h von dieser getrennt ist. Der Spiralumfang C dieser Einzeldraht-Spiralantenne 1 ist
beispielsweise auf etwa 2,3λ festgelegt
(wobei λ die
Wellenlänge
bei der Betriebsfrequenz ist), während
der Abstand h zwischen der Masseebene 2 und der Einzeldraht-Spiralantenne 1 auf
etwa ¼λ festgelegt
ist.
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Von einem Koaxialkabel 3 wird
der Einzeldraht-Spiralantenne 1 ein Hochfrequenzsignal
mit der Wellenlänge λ zugeführt. Der
Erdleitungsteil des Koaxialkabels 3 ist mit der Masseebene 2 verbunden, während der
Kerndraht mit der Einzeldraht-Spiralantenne 1 verbunden
ist.
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2 zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der Y-Z-Ebene einer in dieser Weise gebildeten
Einzeldraht-Spiralantenne 1, wenn ihre Antennenoberfläche als
X-Y-Ebene genommen wird und die zur Antennenoberfläche senkrechte
Richtung als Z-Achse genommen wird. Dieses Strahlungsdiagramm gilt
für eine
Ebene, bei der der Winkel ϕ, der in 1a gezeigt ist, 232° beträgt, wobei erkennbar ist, dass
ein fächerförmiger Strahl
mit einem Strahl-Neigungswinkel θ von
28° gebildet
ist. Mit anderen Worten, die Richtung maximaler Strahlung der Einzeldraht-Spiralantenne 1 ist
die Richtung ϕ = 232°, θ = 28°. Das Achsenverhältnis zeigt
in diesem Fall ein zufrieden stellendes Bild von 1,9 dB, wobei die
Verstärkung
8,2 dB beträgt.
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In dieser Weise kann die Einzeldraht-Spiralantenne 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung einen fächerförmigen Strahl
bilden, der von der zur Antennenober fläche senkrechten Richtung abgelenkt
ist.
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In 3 ist
ein Strahlungsdiagramm in der X-Y-Ebene der Einzeldraht-Spiralantenne 1 gezeigt, jedoch
ist die Z-Achse hierbei um den Strahl-Neigungswinkel (θ = 28°) geneigt.
Aus diesem Strahlungsdiagramm geht außerdem hervor, dass der Winkel ϕ der
Richtung maximaler Strahlung gleich 232° ist. 4 zeigt ein Strahlungsdiagramm in der X-Z'-Ebene der Einzeldraht-Spiralantenne 1.
Diese Z'-Achse repräsentiert
eine um den Strahl-Neigungswinkel (θ = 28°) geneigte Achse.
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5 zeigt
eine dreidimensionale Ansicht eines Strahlungsdiagramms einer Einzeldraht-Spiralantenne 1.
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Wenn der Spiralumfang C der Einzeldraht-Spiralantenne 1 gemäß der vorliegenden
Erfindung im Bereich von 2λ bis
3λ liegt,
ist es möglich, den
dadurch gebildeten Strahl abzulenken. In diesem Fall ändert sich
dann, wenn der Spiralumfang C verändert wird, auch der Strahl-Neigungswinkel θ. Ferner
ist der Abstand h zwischen der Masseplatte 2 und der Einzeldraht-Spiralantenne 1 nicht
auf ¼λ begrenzt,
sondern sollte in der Umgebung von ¼λ liegen.
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Obwohl die Einzeldraht-Spiralantenne 1 aus Draht
gebildet sein kann, ist es auch möglich, eine Einzeldraht-Spiralantenne 1 auf
einem isolierenden Film zu bilden und die Masseplatte 2 und
die Einzeldraht-Spiralantenne 1 mittels eines Dielektrikums
wie etwa Schaumstoff oder dergleichen, das dazwischen gelegt wird,
zusammenzufügen.
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Als Nächstes zeigt 7 die Struktur einer Vierelement-Gruppenantenne,
die vier Einzeldraht-Spiralantennen, wie in sie in 1a und 1b gezeigt
sind, verwendet.
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In diesem Diagramm sind 1-1–1-4 Einzeldraht-Spiralantennenelemente,
die in einem Abstand h über
einem Reflektor 4 angeordnet sind. In diesem Fall ist der
Abstand d zwischen den Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1– 1-4 auf
etwa 0,8λ festgelegt,
wobei die Einzeldraht-Spiralantennenelemente 1-1–1-4 um
218° in
Richtung ϕ gedreht sind, wie in 6 gezeigt ist, so dass die Richtung maximaler Strahlung
der Gruppenantenne die Y-Z-Ebene ist. Der Abstand h zwischen den
Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1–1-4 und dem Reflektor 4 ist
auf etwa ¼λ festgelegt.
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Über
ein Koaxialkabel, das in der Zeichnung weggelassen ist, wird den
Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1–1-4 Strom zugeführt, wobei
die Stromversorgung so festgelegt ist, dass sämtliche der Einzeldraht-Spiralantennenelemente 1-1–1-4 miteinander
in Phase sind.
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8 zeigt
Strahlungsdiagramme für
eine Gruppenantenne, die wie in 7 gezeigt
zusammengesetzt ist. 8a ist
ein Strahlungsdiagramm in der Y-Z-Ebene; der Strahl-Neigungswinkel θ in Richtung
maximaler Strahlung beträgt
etwa 24° und weicht
somit um etwa 4° von
dem Bild für
ein unabhängiges
Einzeldraht-Spiralantennenelement ab. 8b zeigt
ein Strahlungsdiagramm in der X-Z'-Ebene, wobei der Richtstrahl, dadurch,
dass die Einzeldraht-Spiralantennenelemente 1-1–1-4 eine Gruppenantenne
in horizontaler Richtung umfassen, einen Büschelstrahl in Richtung des
Seitenwinkels bildet. Die Z'-Achse ist eine um
den Strahl-Neigungswinkel (θ =
28°) zur
Z-Achse geneigte Achse.
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9 zeigt
Achsenverhältnis-
und Verstärkungskennlinien
in Bezug auf die Frequenz für
eine wie in 7 gezeigt
gebildete Gruppenantenne. Wie in diesem Diagramm gezeigt ist, zeigt
das Achsenverhältnis über ein
breites Frequenzband von etwa 5,7 GHz bis etwa 7 GHz ein zufrieden
stellendes Bild von 3 dB oder weniger. Ferner ist auch die Verstärkung bei
einem maximalen Verstärkungsbild
von 14,7 dB hoch, wobei über
ein breites Frequenzband eine hohe Verstärkung erhalten werden kann.
Genauer, wenn die Betriebsfrequenz als 5,5 GHz–7,0 GHz angenommen wird, entspricht
die Breite des Frequenzbands, bei der das Achsenverhältnis 3
dB oder weniger in Bezug auf dessen Mittenfrequenz beträgt, einer
weiten Bandbreite von etwa 22%.
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Der Spiralumfang C jedes Einzeldraht-Spiralantennenelements 1-1–1-4,
aus dem die Gruppenantenne gebildet ist, überschreitet 2λ, ist jedoch
kleiner als 3λ.
In diesem Fall ändert
sich dann, wenn der Spiralumfang C verändert wird, auch der Strahl-Neigungswinkel θ. Deshalb
kann der Richtstrahl von der Einzeldraht-Spiralantenne 1 durch Ändern des
Spiralumfangs C mit der Kommunikationsrichtung ausgerichtet werden.
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Der Abstand h zwischen dem Reflektor 4 und den
Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1–1-4 ist nicht auf ¼λ begrenzt,
sondern sollte im Bereich von ¼λ liegen.
Der Abstand d zwischen den Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1–1-4 ist
nicht auf etwa 0,8λ begrenzt,
sondern sollte so festgelegt werden, dass die Seitenkeulen der Gruppenantenne
optimiert sind.
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Außerdem ist, wie in 7 gezeigt ist, zwischen
dem Reflektor 4 und den Einzeldraht-Spiralantennenelementen 1-1–1-4 ein
Zwischenraum mit einer relativen Dielektrizitätskonstante εr =
1 (Vakuum) gebildet, jedoch ist es auch möglich, dass der Reflektor 4 und
die Einzeldraht-Spiralantennenelemente 1-1 –1-4 mittels
eines Dielektrikums wie etwa Schaumstoff oder dergleichen, der dazwischen
gelegt ist, zusammengefügt
sind. In diesem Fall sind die Einzeldraht-Spiralantennenelemente 1-1–1-4 vorzugsweise
auf einem isolierenden Film gebildet.
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Wie oben beschrieben worden ist,
kann die Einzeldraht-Spiralantenne gemäß der vorliegenden Erfindung,
da es möglich
ist, ihren Richtstrahl abzulenken, eine Niederquerschnitts-Antenne
bilden, wenn sie in eine Mobilstation eingebaut ist. Somit kann
die Antenne in einfacher Weise installiert werden, wobei ihre Struktur
ebenfalls vereinfacht ist. Da ferner die Einzeldraht-Spiralantenne
gemäß der vorliegenden
Erfindung einen Stromversorgungspunkt in der Mitte der Antenne besitzt,
tritt auch dann, wenn die Antenne in einer horizontalen Ebene gedreht wird,
keine Unregelmäßigkeit
bei der Drehung auf.
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Wenn Antennen gemäß der vorliegenden Erfindung
zu einer Gruppe aufgestellt wird, nimmt die Größe des Antennensystems nur
in horizontaler Richtung zu, weshalb eine solche Gruppe auch dann, wenn
Beschränkungen
in Höhenrichtung
bestehen, zufrieden stellend verwendet werden kann.
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Die in der Beschreibung oben angeführten Frequenzen
sind Beispiele für
die Betriebsfrequenz einer Einzeldraht-Spiralantenne gemäß der vorliegenden
Erfindung, jedoch ist die Vorrichtung nicht auf diese Frequenzen
begrenzt.
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INDUSTRIELLE
ANWENDBARKEIT
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Da die vorliegende Erfindung wie
oben beschrieben aufgebaut ist, kann ein Richtstrahl in Richtung
des Richtwinkels abgelenkt werden, weshalb dieser mit der Kommunikationsrichtung
ausgerichtet werden kann, wobei die Spiralantenne in einer horizontalen
Ebene errichtet sein kann. Folglich kann die Stellhöhe einer
Spiralantenne, deren Richtstrahl in eine gewünschte Richtung gelenkt wird,
verkleinert werden, kann die dem Wind ausgesetzte Oberfläche der
Antenne verkleinert werden und kann verhindert werden, dass die
Antenne auch dann, wenn sie in eine Mobilstation eingebaut ist,
ein Höhenlimit übersteigt.
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Wenn Einzeldraht-Spiralantennen dieser
Art als Gruppe angeordnet werden, sollten mehrere davon in horizontaler
Richtung angeordnet werden, so dass sich keine Zunahme der Stellhöhe der Spiralantenne
ergibt. Dadurch kann verhindert werden, dass die Antenne Höhengrenzen überschreitet.