DE869229C - Antennensystem - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein aus Dipolen zusammengesetztes Antennensystem, für die Übertragung eines breiten Frequenzbereiches geeignet.

Die Eingangsimpedanz eines Dipols besitzt bekanntlich eine Blindkomponente, die sich im Gebiet der Resonanzfrequenz derart stark ändert, daß eine solche Antenne ohne Anwendung von besonderen Maßnahmen, z. B. von Ausgleichnetzwerken, zur Übertragung eines breiten Frequenzbereiches ungeeignet ist.

Man kann diesen Nachteil mildern, indem man bei einem Dipol das Verhältnis zwischen dem mittleren Durchmesser und der Länge (im folgenden kurz Schlankheitsfaktor genannt) klein macht. Dazu verwendet man z. B. kegel- oder keulenförmige Dipole. Aber auch dann noch ist die Änderung des Phasenwinkels der Eingangsimpedanz für manche Zwecke, z. B. Fernsehübertragung, unzulässig groß.

Gemäß der Erfindung wird die Kopplungsimpedanz benachbarter Dipole zum Ausgleichen der Blindkomponente benutzt, die die Eingangsimpedanz eines Dipols ohne die benachbarten Dipole hätte (nachstehend als Dipolimpedanz bezeichnet). Das erfolgt, indem bei einem Antennensystem mit mindestens zwei parallel angeordneten mit gleicher Stärke und einem Phasenunterschied von ο oder i8o° erregten Dipolen der gegenseitige Abstand derart gewählt wird, daß die Blindkomponenten von Dipol- und Kopplungsimpedanz bei derselben Frequenz (Resonanzfrequenz) durch Null hindurchgehen, während die Differenz der Erregungsphasen derart gewählt ist, daß für um die Resonanzfrequenz herum liegende Frequenzen die genannten Reaktanzen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

Die Blindkomponenten der Dipol- und Kopplungsimpedanz für um die Resonanzfrequenz herum liegende

Frequenzen werden sich dann zumindest teilweise ausgleichen, so daß die Blindkomponente der Eingangsimpedanz jedes der Dipole, die durch die algebraische Summe der erstgenannten Blindkornpqnenten gegeben ist, gering ist.

Es kann dabei für einen breiten Frequenzbereich (annähernd io °/₀ der Resonanzfrequenz) ein praktisch vollkommener Ausgleich der Blindkomponente der Dipolimpedanz"][durch die der Kopplungsimpedanz durch geeignete Wahl der Schlankheit der Dipole erzieltjwerden.

Die Erfindung wird an Hand der Figuren näher erläutert. In

Fig. ι ist ein Antennensystem gemäß der Erfindung mit zwei Dipolen dargestellt;

Fig. 2 zeigt eine graphische Darstellung des Zusammenhangs zwischen Dipol- und Kopplungsreaktanz einerseits und der Erregungsfrequenz andererseits; in

Fig. 3 ist eine besonders vorteilhafte Ausführungsform eines Antennensystems gemäß der Erfindung mit zwei Dipolen dargestellt, während in

Fig. 4 ein erfindungsgemäßes Antennensystem mit drei Dipolen veranschaulicht ist.

Für das in Fig. 1 dargestellte Antennensystem mit zwei gleichen und gekoppelten Dipolen 1 und 2, die je eine der halben ResonanzweUenlänge entsprechende Länge besitzen, gelten die folgenden Beziehungen:

• Z_m und F₂ = I₂- Z₂₂ +

oder

und

Zl L

— 7—7 -J-I

— ^2 -^22 "Γ "Τ~

wo Z₁₁ = R_n +■ JX_n = Impedanz des Dipols 1 ohne weitere Dipole oder die Dipolimpedanz dieses Dipols darstellt; Z₂₂ = 2?₂₂ + jX₂₂ = Dipolimpedanz des Dipols 2; Z_m = R_m + j X_n = Kopplungsimpedanz der Dipole ι und 2; Z₁.— Eingangsimpedanz des Dipols 1; Z₂ = Eingangsimpedanz des Dipols 2.

Werden beide Dipole mit gleicher Stärke und in Phase oder Gegenphase erregt, so gilt wegen der Gleichheit der Dipole:

F₁ = ± F₂UUdI₁ = ± I₂; Z₁₁ ^Z₂₂ = Z = R +jX Z₁=Z₂ = Z + Z_m=:R + R_m + j(X±X_m).

' Dadurch nun, daß entsprechend der Erfindung ein angemessener Abstand der Dipole gewählt wird, kann, wie sich aus der Fig. 2 ergibt, erreicht werden, daß die Kurve X, welche die Blindkomponente der Kopplungsimpedanz darstellt, in Abhängigkeit vom" Quotienten der Erregungs- und Resonanzfrequenz ω bzw. co₀ der Dipole bei der Resonanzfrequenz durch Null geht. Dies tritt bei gleichphasig erregten Dipolen ein, wenn der gegenseitige Abstand etwa 0,135 ^o beträgt, bei in Gegenphase erregten Dipolen, wenn der gegenseitige Abstand etwa 0,68 X₀ beträgt, wo /I₀ die der Resonanzfrequenz des Dipols entsprechende Wellenlänge darstellt. Es sei hier bemerkt, daß im letztgenannten Fall einer der beiden Dipole durch den Spiegelbilddipol des vor einer Reflektorwand angeordneten anderen Dipols gebildet werden kann. Bei geringen Änderungen des gegenseitigen Abstandes der Dipole wird in der Fig. 2 die Kurve X_m im wesentlichen parallel zu sich selbst in der Richtung der Frequenzachse verschoben.

Durch die obenerwähnte Wahl des Dipolabstandes wird erreicht, daß für die Resonanzfrequenz die Blindkomponeriten der Eingangsimpedanz Z₁ bzw. Z₂ beider Dipole verschwinden, da dann zugleich die Blindkomponenten der Antennenimpedanzen Z der Dipole gleich Null sind.

Für um die Resonanzfrequenz herum liegende Frequenzen ergibt die erwähnte Wahl des Abstandes und der Erregungsphase eine wesentlich kleinere Blindkomponente der Eingangsimpedanz der Dipole, da in diesem Fall die reaktiven Komponenten von Dipol- und Kopplungsimpedanz X bzw. X_n, sich durch ihre entgegengesetzten Vorzeichen zumindest teilweise ausgleichen.

Ein praktisch vollkommener Ausgleich ist möglich, Wenn man den Umstand benutzt, daß die Steilheit der Kurve, welche die Blindkomponente der Dipolimpedanz über der Frequenz darstellt, sich mit dem Schlankheitsfaktor der Dipole ändert, die Kopplungsimpedanz aber in erster Annäherung vom Schlank- heitsfaktor unabhängig ist.

In Fig. 2 ist der Verlauf der reaktiven Komponente der Dipolimpedanz X in Phase erregter Dipole mit einem gegenseitigen Abstand von etwa 0,135 ^o für zwei verschiedene Schlankheitsfaktoren, nämlich 10 gs und 30, durch X₁₀ und X₃₀ dargestellt. Der Deutlichkeit halber sind die negativen Werte dieser Komponenten angegeben, also (— X₁₀) und (— X₃₀). Wie sich hieraus ergibt, kann im gesetzten Fall ein nahezu vollkommener Ausgleich der reaktiven Komponenten für einen breiten "Frequenzbereich dadurch erreicht werden, daß als Schlankheitsfaktor etwa 20 gewählt wird. Der günstigste Wert wird vorzugsweise auf experimentellem Wege ermittelt.

Im Ausführungsbeispiel nach Fig. 1 sind die Dipole zylinderförmig, die Anwendung der Erfindung ist jedoch auch bei anderer Ausgestaltung der Dipole möglich. Sie können z. B. keulen- oder kegelförmig sein, wie in Fig. 3 dargestellt ist, was im Zusammenhang mit der Anpassung an die Übertragungsleitung oder mit Rücksicht auf die Richtcharakteristik günstig sein kann. Auch bei diesen Ausführungsformen ist die Steilheit der Kurve X vom Schlankheitsfaktor abhängig.

Werden im Antennensystem mehr als zwei Dipole angewendet, so werden sie, damit sämtliche Dipole gleichwertig sind, entsprechend den Winkelpunkten eines regelmäßigen Vieleckes angeordnet, bei drei Dipolen i, 2, 3, wie in Fig. 3 angegeben ist, somit gemäß den Winkelpunkten eines gleichseitigen Dreieckes, dessen Seiten eine Länge von etwa 0,135 K besitzen. Da nun jedoch die Kopplungsimpedanz für jeden der Dipole verdoppelt ist, ist der Schlankheitsfaktor zur Erzielung eines vollkommenen Ausgleichs der reaktiven Komponenten erheblich größer zu wählen, nämlich annähernd gleich 200.

Bei mehr als drei Dipolen können die gegenseitigen Abstände der Dipole selbstverständlich nicht mehr dieselben sein, aber auch dann ist erreichbar, daß die für jeden Dipol wirksame, gesamte Kopplungsimpedanz für die Resonanzfrequenz gleich Null ist. Die Seite des regelmäßigen Vielecks, gemäß dessen Winkelpunkten die Dipole angeordnet sind, wird zu diesem Zweck ein wenig kleiner als 0,135 K gewählt, und zwar derart, daß jetzt für die Resonanzfrequenz die Blindkomponenten der einzelnen, jeweils durch einen der Dipole verursachten Kopplungsimpedanzen von Null abweichen. Für jeden der Dipole verursachen nun die zu naheliegend und die zu weit entfernt angeordneten Dipole Kopplungsreaktanzen mit entgegengesetzten Vorzeichen, deren Größe sich mit der Länge der Seite des regelmäßigen Vielecks ändert. Durch geeignete Wahl der Seitenlänge ist ein gegenseitiger Ausgleich der Blindkomponenten der einzelnen Kopplungsimpedanzen für die Resonanzfrequenz erreichbar.

Es sei schließlich bemerkt, daß die Erfindung auch anwendbar ist an Antennensystemen, bei denen die Dipollänge von der halben Resonanzwellenlänge abweicht, wenn nur wiederum die Dipole in Resonanz sind und somit die Dipollänge ein Vielfaches einer Viertelbetriebswellenlänge beträgt. Im Zusammenhang mit der Abhängigkeit der Kopplungsimpedanz von der relativen Dipollänge ist bei der Wahl des gegenseitigen Abstandes der Dipole mit dieser Abhängigkeit zu rechnen.

Claims (1)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   i. Antennensystem mit mindestens zwei parallel angeordneten, mit gleicher Stärke und mit einem Phasenunterschied von 0 oder i8o° erregten Dipolen, dadurch^ gekennzeichnet, daß der Abstand der Dipole derart gewählt ist, daß die Blindkomponenten der Dipol- und Kopplungsimpedanz bei derselben Frequenz (Resonanzfrequenz) gleich Null sind und daß die Erregungsphasendifferenz derart gewählt ist, daß für um die Resonanzfrequenz herum liegende Frequenzen die genannten Reaktanzen entgegengesetzte Vorzeichen aufweisen.

   2~Antennensystem nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Schlankheit der Dipole derart^ gewählt ist, daß für um die Resonanzfrequenz herum liegende Frequenzen die reaktiven Komponenten von Antennen- und Strahlungskopplungsimpedanz gleiche absolute Werte besitzen.

   3. Antennensystem nach Anspruch 1 oder 2, mit phasenerregten Dipolen, deren Länge der Hälfte der Resonanzwellenlänge A₀ entspricht, dadurch gekennzeichnet, daß der Abstand der Dipole etwa 0,135 A₀ beträgt. _ 4. Antennensystem nach Anspruch 3 mit zwei Dipolen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlankheitsfaktor etwa 20 beträgt.

   5. Antennensystem nach Anspruch 1, 2 oder 3 mit mindestens drei Dipolen, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipole gemäß den Winkelpunkten eines regelmäßigen Vielecks angeordnet sind.

   6. Antennensystem nach Anspruch 5 mit drei Dipolen, dadurch gekennzeichnet, daß der Schlankheitsfaktor etwa 200 beträgt.

   7. Antennensystem nach einem der vorhergehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Dipolhälften kegelförmig sind.

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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