DE884377C - Faltdipol mit Breitbandeigenschaften - Google Patents

Description

(WiGBl. S. 175)

AUSGEGEBENAM 27. JULI 1953

ist in Anspruch genommen

Die Erfindung betrifft eine Antenne mit Durchgang eines breiten Frequenzbandes, insbesondere für die drahtlose Bildübertragung zu Fernsehzwecken.

Bekanntlich ist dieEintrittsimpedanz irgendeiner dünnen Antenne auswählender Natur. Jede Änderung dieser Eintrittsimpedanz bringt Streurückstrahlungen eines Teiles der auszusendenden Energie auf Grund der plötzlichen Diskontinuität der Impedanzen am Übergang von der Speiseleitung zum Luftdraht mit sich. Bisher hat man das Problem der Aussendung eines ein breites Frequenzband einnehmenden Zeichens nach einem der folgenden zwei Verfahren gelöst:

a) Man verdickt die Antenne, so daß sie aus einer Geraden beispielsweise ein Kegel wird. Derartige Antennen weisen aber eine große Raumbeanspruchung auf, und ihre Herstellungskosten sind hoch. Auch verlangt ihre mechanische Ausführung die Lösung zahlreicher verwickelter Aufgaben.

b) Man hält künstlich die gegenseitige Anpassung von Speiseleitung und dünner Antenne mit Hilfe von geeigneten, außerhalb der Antenne liegenden Vorrichtungen aufrecht. Diese Lösung weist den großen übelstand auf, daß jede Antenne getrennt eingeregelt werden muß, und außerdem sind die auf diese Weise gedeckten Frequenzbereiche in der Regel nicht genügend groß.

Der Erfindung liegt .nun die Aufgabe zugrunde, eine Antenne mit breitem Frequenzband in. der Form eines zur Falte gebogenen Dipols zu schaffen, der einen Ausgleich im Bereich der zu übertragenden Frequenzen zwischen den Leitüngsströmen und den dieDipolteile durchfließenden Antennenströmen bewirkt. Dieser Ausgleich wird, wie sich nachweisen läßt, dann erreicht, wenn die charakteristische Impedanz des als eine Leitung zu betrachtenden Dipols eine gewisse Funktion der das Verhalten des Dipols als strahlendes Gebilde bestimmenden Parameter ist. Unter Ausnutzung dieser Feststellung gelingt es erfindungsgemäß, bei ein und derselben Antenne die kennzeichnenden Vorteile der beiden bisher zur Lösung des Problems der Aussendung eines Zeichens mit breitem Frequenzband angewendeten Verfahren, Ausgleich der selektiven Eigenschaft einer dünnen Antenne der üblichen Bauart und einfache, leicht zu verwirklichende Ausführung unter Vermeidung einer. Hilfsregelung, durch das Antennengebilde selbst zu erzielen, das vor der Herstellung vollständig festgelegt ist.

Die Zeichnung veranschaulicht die Erfindung in mehreren Ausführungsbeispielen.

Abb. i- und 2 sind Kurvenbilder, welche die Wirkungsweise der Antenne.nach der Erfindung näher erläutern;

Abb. 3 zeigt die Querschnitte verschiedener erfindungsgemäß ausgebildeter Antennen; -

Abb. 4 läßt in schaubildlicher Darstellung eineganze, die Erfindung verwirklichende Antenne er-• kennen, und

Abb. 5 bringt zu dieser Antenne zwei Abänderungsmöglichkeiten;

Abb. 6 gibt eine Antenne nach der Erfindung im Laufe ihrer Herstellung und

Abb. 7 diese Antenne im Fertigzustand wieder. Die Sröme, die in einer zur Falte gebogenen Doppelantenne in der Nähe der Resonanz fließen, sind bekanntlich zweierlei Art.

1. Einmal sind es Ströme, die den gleichen Richtungssinn im Hauptarm und im umgebogenen Arm des Dipols haben. Die durch diese Ströme erzeugten Felder addieren sich, um das ausgestrahlte elektromagnetische Feld entstehen zu lassen.

2. Zum andern sind es Ströme, die gegensinnig in den beiden Dipolarmen verlaufen. Diese Ströme, die sogenannten Leitungsstr.öme, rufen Felder her-

^;5'o vor, die sich ausgleichen.

Untersucht man von diesem Gesichtspunkt. aus das Verhalten eines zur Falte gebogenen Dipols, so dient es zur Vereinfachung der Anschauung, die Impedanz des Dipols als Parallelschaltung zweier Impedanzen anzusehen, von denen sich die eine auf einen strahlenden Teil der Antenne und die andere auf einen am einen Ende kurzgeschlossenen Über- . tragungsleitungsteil bezieht und die erstere bei einer unter dem. Viertel der Wellenlänge bleibenden Länge, eines .Dipolhalbarmes kapazitiv und bei einer das Wellenlängenviertel , überschreitenden Lange eines Dipolhalbarmes induktiv, ist und die andere eine induktive Impedanz bei einer das Wellenlängenviertel unterschreitenden Länge des Dipolhalbarmes und eine kapazitive Impedanz bei einer über das Wellenlängenviertel hinausgehenden Länge des Dipolhalbarmes darstellt. Das Problem der Schaffung einer Antenne mit breitem durchgehendem Frequenzband nimmt dann die Form an, . daß die Änderungen der Impedanz des strahlenden Teiles durch die Änderungen der Impedanz des Leitungsteiles auszugleichen sind.

In Abb. ι gibt die einer Geraden sich nähernde Kurve ι die Änderungen der dem strahlenden Teil in Abstimmnähe gleichwertigen Suszeptanz JB von dem durch die Halblänge 1 der Antenne und die Wellenlänge bestimmten Wert (2πΐ) :2 wieder. Die gestrichelte Kurve 3 läßt die Änderungen der Suszeptanz für eine zur Falte gebogene Doppelantenne üblicher Ausführungsform erkennen, die durch ein parallel zu sich selbst umgebogenes leitendes Rohr gebildet ist. Der Verlauf dieser Kurve 3 macht ersichtlich, daß sich mit dieser Dipolbauart der gewünschte Ausgleich nicht erreichen läßt, da die -Neigung der in Abstimimnähe sich einer Geraden nähernden Kurve 3 viel geringer als die Schräge der Kurve ι ist. Die Erfindung bezweckt nun, eine zur Falte gebogene Doppelantenne zu schaffen, deren geometrische Parameter so bestimmt sind, daß die Änderungen der Suszeptanz des Leitungsteiles in Abstiimmnähe nach der Kurve. 2 von Abb. 1 stattfinden, die in Annäherung an eine Gerade eine der Neigung der Kurve 1 gleiche und entgegengesetzte Schräge aufweist.

Die dicke Linie 4 in Abb. 1 gibt die algebraische Summe der beiden Suszeptanzen der Kurven iund2 wieder, welche die globale Suszeptanz der Antenne darstellt, die, wie aus Abb. 1 ersichtlich, in Abstimmnähe konstant ist. Somit ist auf diese Weise ein Ausgleich der Änderungen der Reaktanz der Antenne erreicht. Anderseits ist bekannt, daß in Wirklichkeit die Impedanz in Abstimmnähe sich ein wenig ändert. Praktisch ist es daher nicht möglich, eine unbedingt konstante Reaktanz, wie sie die Kurve 4 veranschaulicht, zu erzielen.

Es läßt sich aber zeigen, daß man, wenn eine gegebene Beziehung zwischen der charakteristischen Impedanz der mit der Antenne verbundenen Leitung und ihrem Strahlungswiderstand besteht, Gesetzmäßigkeiten der Veränderung der globalen Reaktanz der Antenne in Abhängigkeit von der Frequenz in der Form der aus Abb. 2 ersichtlichen Kurven k_v k₂, k₃ erhalten kann. Diese Beziehung kennzeichnet sich durch die Gleichung

-h

d(ßl)l

in der

Z₀ = charakteristische Impedanz der durch die

beiden Arme des Dipols gebildeten Leitung, R_s = Strahlungswiderstand des umgebogenen

Dipols = 4 · 72 Ω = 288 Ω, .

X = Reaktanz der Antenne,

β = 2 π · λ, wenn λ = Wellenlänge der ausgestrahlten Energie im Vakuum,
/ = halbe Länge der Antenne,
k = Zahlenfaktor zwischen 0,5 und 1.
Die Änderungen der Antennenreaktanz X als Funktion von ßl kann man dadurch messen, daß man unabhängig entweder die Länge der Antenne oder die Frequenz der ausgestrahlten Energie ändert. Die neuzeitlichen, über die Antennen entwickelten Theorien ermöglichen ebenfalls die Bestimmung dieses Änderungsgesetzes. Insbesondere gilt dies für die Theorie von Hallen mit ihrem ersten Annäherungsgrad, gemäß welcher man erhält

dX 1 .3(0*) J

= 60 Ω — 133 iⁿ Ohm

mit Ω = 2 / : α, worin / die Länge der Antenne und α die mittlere Querabmessung ist.

Der Wert des Zahlenfaktors k, der zu wählen ist, hängt wesentlich von den gesuchten Ergebnissen, d. h. der Breite des Bandes der übertragenen Frequenzen sowie dem zulässigen Wert der Änderungen der Impedanz der Antenne ab. Diese zwei Variablen sind im übrigen miteinander verbunden, wie dies eine Betrachtung der drei Kurven von Abb. 2 ergibt, welche die Änderungen der Eintrittsreaktanz JX der Antenne in Abhängigkeit von dem bereits bei den Kurven von Abb. 1 erläuterten Wert (2πι) :λ unter Annahme verschiedener Zahlenfaktoren k_v k₂, k₃ darstellen. Man ersieht aus den Kurven von Abb. 2, daß für einen gegebenen Dipol die Breite des Bandes der übertragenen Frequenzen und die Schwankung der Reaktanz und ihren Mittelwert gemeinsam zunehmen.

In der praktischen Ausführungsform kann die zur Falte gebogene Doppelantenne nach der Erfindung gemäß den Querschnittdarstellungen der Abb. 3 beispielsweise aus zwei ebenen flachen parallelen Armen α mit einem geeigneten Abstand oder aus zwei im Querschnitt gleichen und U-förmigen Armen b mit im passenden Abstand parallel gestellten Mittelteilen und mit voneinander abgekehrten Schenkeln oder aus zwei in entsprechendem Abstand über isolierende Stangen oder sonstige Träger gespannten, die Arme bildenden Folien c aus Metall, z. B. Aluminium, oder auch aus zwei im Querschnitt U-förmigen und verschieden großen Armen d mit gleichgerichteten Schenkeln und mit im erforderlichen Abstand parallelen Mittelteilen bestehen.

Die Doppelantenne nach der Erfindung kann auch in anderer Weise, wie in Abb. 3 dargestellt, z. B. mit Armen von L- oder T-Querschnitt, verwirklicht werden. Immer müssen aber dabei die Parameter der Antenne auf Grund ihrer geometrischen Ausgestaltung so' bestimmt sein, daß die angeführte Gleichung für die Antennenimpedanz Z₀ erfüllt ist. Außerdem ist auch der Bedingung zu genügen, daß der Abstand zwischen dem Hauptarm und dem umgelegten Arm des Dipols auf dessen ganzer Länge genau mit dem gewählten Wert aufrechterhalten bleibt. Dies ist gemäß Abb. 4 bei einer aus zwei parallelen ebenen, flachen plattenförmigen Armen bestehenden Doppelantenne dadurch erreicht, daß zur Erzielung der Starrheit des aus dem Hauptarm 6 und den beiden Hälften 7 und "]' des umgelegten Armes bestehenden Gebildes um dieses ein entsprechend gebogenes Versteifungsrohr 5 herumgeführt ist, das mit den Armen z. B. durch Schweißung oder Lötung verbunden ist.

Häufig ist es erwünscht, nicht nur die Antennenimpedanz über das ganze Band der ausgesandten Frequenzen hin konstant zu halten, sondern auch ihre Reaktionskomponente aufzuheben, um eine günstige Anpassung der Antenne mit Bezug auf die Speiseleitung zu erreichen. Man muß dann in dem durch die Antenne gebildeten Stromkreis eine an bestimmter Stelle angeordnete Reaktanz vorsehen, welche einen dem Mittelwert der Antennenreaktanz gleichen Wert mit entgegengesetztem Vorzeichen hat. Diese Reaktanz, die in Abb. 4 durch das zwischen die Doppelantenne und die Speiseleitung 8 eingefügte Rechteck 9 schematisch angedeutet ist, kann in gewissen Fällen durch einen oder zwei regelbare und ein für allemal eingestellte Kondensatoren gebildet sein. Die gewünschte Ausgleichung kann dadurch erreicht werden, daß ein abgestimmter Stromkreis in Reihen- oder Parallelschaltung in bekannter Weise gebildet wird.

Abb. 5 zeigt zwei Abänderungen der Antennenausführung nach Abb. 4, bei denen die Reaktanz für die Anpassung der Antenne an die Speiseleitung durch die Antenne selbst gegeben ist. Bei dem in Abb. S links dargestellten Antennenteil ist diese örtliche Impedanz durch Schlitze 10 von geeigneten Abmessungen gebildet, die in dem umgebogenen flachen Antennenleiter 6, 7 an der oberen Fläche und an der schmalen Seitenfläche ausgespart sind. Die Zahl und die Ausrichtung dieser Schlitze kann beliebig gewählt werden. Die Abmessungen der Schlitze sind dabei im Vergleich mit der Wellenlänge zu klein, um merklich die Strahlung der Antenne beeinträchtigen zu können.

Bei dem in Abb. 5 rechts veranschaulichten Antennenteil 6, 7 ist die örtliche Anpassungsreaktanz durch einen Kurzschlußteil 10 verwirklicht, der in einer passenden Entfernung von dem einen Ende der Antenne zwischen den einander zugekehrten Flächen des Hauptarmes 6 und des umgelegten Armes 7 des Dipols vorgesehen ist. Dieser Kurzschlußteil 10' ändert in keiner Weise die Verteilung der Antennenströme, da diese symmetrisch in den beiden Dipolarmen verlaufen. Dabei hat dieser Kurzschluß auch eine Änderung der elektrischen Länge der mit der Antenne verbundenen Leitung zur Folge, indem er an deren Eintrittsstelle eine gegebene Impedanz einführt.

Das Strahlungsdiagramm eines zur Falte gebogenen Dipols weist bekanntlich bevorzugte Riehtungen auf. Es kann aber wünschenswert sein, ein Diagramm mit allseitiger Strahlung zu erhalten, und man kann hierfür jede geeignete Vereinigung von Dipolen nach der Erfindung zu einer Gesamtantenne anwenden, und ebenso lassen sich auch Doppelantennen nach der Erfindung entweder allein

oder auch mit an sich bekannten Strahlungsgebilden anderer Art zur Erzielung eines beliebigen Strahlungsdiagramms geeigneter Form zu einer Einheit zusammenbauen. Beispielsweise verlangt die drahtlose Bildübertragung für Fernsehzwecke eine Antenne, deren Strahlungsdiagramm in einer Ebene isotrop ist, und dieser Forderung kann ohne weiteres dadurch genügt werden, daß man auf einem Mast ein Gesamtgebilde aus zwei um 90⁰ gegeneinander versetzten und in Quadratschaltung gespeisten gefalteten Dipolen nach der Erfindung anordnet, was eine Antenne von der Drehkreuzbauart ergibt. Das Band der durch eine solche Antenne mit einer gegebenen Schwächung übertragenen Frequenzen ist breiter als das Band der Durchgangsfrequenzen bei jedem der die Antenne bildenden Dipole. Man kann zur Verwirklichung eines in einer Ebene isotropen Strahlungsdiagramms auch so verfahren, daß man einen Dipol nach der Erfindung längs einer Unifangslinie umbiegt, wie dies bei den einfachen Dipolen übliche Praxis ist.

Abb. 6 und 7 veranschaulichen eine besonders einfache Ausführungsform eines gefalteten Dipols nach derErfindung, die dessen technisch-industrielle Herstellung mit einfachen Bauteilen und Werkzeugen und ohne Zuhilfenahme eines besonderen Versteifungsmittels dadurch ermöglicht, daß eine Metallschiene oder ein Metallband von geeigneter Breite und von U- oder T- oder L-Querscnnitt oder einem ähnlichen Querschnittsprofil an den beiden Enden zweimal rechtwinklig nach der gleichen Richtung abgebogen ist und so der Hauptarm und die zwei umgebogenen Arme des Dipols aus einem einzigen Leiter mit der erforderlichen mechanischen Festigkeit und Starrheit geformt sind. Die doppelte Abbiegung ist dadurch ermöglicht, daß an der oder den Kanten der Metallschiene oder des Metallbandes Schlitze ausgespart sind, deren Breite dem Abstand zwischen den nach beiden Abbiegungen parallelen Schienen oder Schienenteilen entspricht und die symmetrisch zur Mitte des ganzen durch die Schiene oder das Band gebildeten Leiters liegen.

Gemäß Abb. 6 wird eine Metallsehiene 11 von

U-förmigem Querschnitt, die aus einem flachen

4-5 Mittelteil 12 und zwei zu diesem senkrechten Schenkeln 13' und 14' besteht und im Bedarfsfall auch durch entsprechende Randabbiegung eines einfachen Metallbandes erzeugt sein kann, erfindungsgemäß von einer längeren Schiene bzw. einem längeren Band als Stück geeigneter Länge von der Größenordnung einer Wellenlänge der mittleren Arbeitsfrequenz der Antenne abgeschnitten. Dieses Schienenstück 11 wird in fünf verschiedene Abschnitte AB, BC, CC, CB' und B'A' unterteilt.

Die beiden äußeren Abschnitte AB und B'Ä, die je von einer einem Viertel der Wellenlänge praktisch gleichen Länge sind, bilden die beiden Halbarme 13 und 14 des Dipols, wie Abb. 7 erkennen läßt. Die Abschnitte BC und CB' haben eine Länge, die dem Abstand zwischen dem Hauptarm und den umgebogenen Armhälften unter Berücksichtigung der Wandstärke der Metallsehiene 11 gleich sind. Der mittlere Abschnitt CC stellt den Hauptarm des Dipols dar und hat eine Länge in der Größenordnung der halben Wellenlänge.

Bei den Abschnitten BC und B' C werden nach der Erfindung aus den Schenkelwänden der Schiene 11 die in Abb. 6 schraffiert angedeuteten Teile 15 und 16 ausgeschnitten und dann die durch die äußeren Abschnitte AB und B'Ä bestimmten Teile 13 und 14 durch rechtwinkliges Abbiegen der Schiene zuerst am einen und dann am anderen Ende der Abschnitte BC und B'C in zum Abschnitt CC parallele Lage mit einander zugekehrten Enden gebracht. Es wird auf diese Weise der aus Abb. 7 ersichtliche gefaltete Dipol erhalten, an dessen Enden die elektrischen Leitungen 23 angeschlossen werden, die nach der mit der Antenne zu verbindenden Sendeanlage führen und in beliebiger Art, z. B. in bekannter Weise bifilar ausgebildet sein können.

Zwischen den Hauptarm CC und die freien Enden der umgelegten Armhälften AB und A'B' des Dipols kann nach Abb. 7 ein Abstandsstück 18 aus Isolierstoff eingefügt sein, das die mechanische Starrheit des ganzen gefalteten Dipols erhöht und mit dem Jochteil 12 der im Querschnitt U-förmigen Schiene π verbunden ist. Die Verbindung von Schiene 11 und Abstandsstück 18 kann durch zwei mittels Muttern 21 anziehbare Schraubenbolzen 19 erreicht sein, welche durch Bohrungen des Ab-Standsstückes 18 und der Schiene 11 hindurchgehen und deren Köpfe unter Zwischenfügung von an die Leitungen 23 angeschlossenen Kabelschuhen 22 an dem Mittelteil der Halbarme 13 und 14 anliegen. Zur Vermeidung eines Kurzschlusses zwischen dem Hauptarm und den umgelegten Halbarmen des Dipols durch die Schraubenbolzen 19 sind diese von Isolierstoffhülsen 20 umschlossen, die das Auftreten einer leitenden Verbindung zwischen dem Hauptarm CC des Dipols und den Schrauben 19 verhindern.

Die geometrische und elektrische Beschaffenheit der Isolierkörper 18 und 20 sowie die Anordnung der Befestigungsbolzen 19 wird vorzugsweise so gewählt, daß die durch die Körper 18 und 20 eingeführte Kapazität als Ausgleichsreaktanz im Sinne der in Abb. 4 durch das Rechteck 9 angedeuteten Reaktanz wirkt. Wenn sich auch nach der Erfindung ein zur Falte umgelegter Dipol mit einer über einen weiten Frequenzbereich konstanten Reaktanz erzielen läßt, so zieht man doch im allgemeinen vor, die Reaktanz abgerundet auf den Wert Null zu bringen, und sieht deswegen in Parallelschaltung zu den Klemmen des Dipols eine Ausgleichsreaktanz mit dem gleichen Reaktanzfaktor wie die residuelle Reaktanz des Dipols, aber mit entgegengesetztem Vorzeichen vor.

Statt den Dipol aus einer im Querschnitt Unförmigen und ihm daher eine sehr große mechanische Festigkeit verleihenden Metallsehiene zu falten, kann es in gewissen Fällen zur Erzielung der erforderlichen Steifheit des Antennengebildes genügen, eine Schiene mit L- oder T-Querschnitt, d. h. eine Schiene mit einem nicht aus drei, sondern nur aus zwei zueinander senkrechten Teilen bestehenden Querschnitt zu verwenden. Die Herstellung der

Antenne erfolgt hierbei mit den gleichen aufeinanderfolgenden Arbeitsgängen wie bei einer Schiene von U-Querschnitt.

Claims (4)

1. PATENTANSPRÜCHE:

   I. Faltdipol mit Breitbandeigenschaften, dadurch gekennzeichnet,

   a) daß die Dipolarme durch zwei parallele flache Leiter von rechteckigem, U- oder T- oder L- oder C-förmigen oder sonstwie länglichem Querschnittsprofil gebildet sind,

   b) daß die Dipolparameter, d. h. der Abstand b und die mittlere Breite α der beiden flachen parallelen Leiter und die halbe Dipollänge / zur Erzielung einer gewünschten für den Dipol kennzeichnenden Impedanz Z₀ derart bestimmt sind, daß sie den beiden Gleichungen

   Z₀ =

   Z₀ = 120 π —

   (ι)

   (II)

   genügen, in denen

   R_s = Strahlungswiderstand des Dipols, X = Reaktanz des Dipols,
   k = Zahlenfaktor zwischen o,5 und ι β = 2 π : λ, wobei X die mittlere Wellenlänge des zu übertragenden Frequenzbandes ist,

   c) daß man in den beiden Gleichungen praktisch wählt: R_s = 288 Ohm

   = 120 133

   d (ßl) a

   α nach dem vom Dipol zu erfüllenden mechanischen Bedingungen.
2. 2. Faltdipol nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß die beiden Dipolarme aus einer einzigen flachen Metallschiene (6,7,7' oder 11) mit länglichem Querschnittsprofil durch Abwinklung gebogen sind (Abb. 4 oder 6,7)·
3. 3. Faltdipol nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die umgebogene Metallschiene (6, 7) an ihren abgewinkelten Enden mit Schlitzen (10) oder einem Kurzschlußteil (10') zur Bildung der Reaktanz für die Anpassung der Antenne an die Speiseleitung versehen ist (Abb. s).
4. 4. Verfahren zur Herstellung eines Faltdipols nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß man an einer die Länge des zu erzielenden Dipols aufweisenden Metallschiene (11) mit U- oder L-Querschnitt oder mit ähnlichem Querschnittsprofil zwei ihr Abbiegen ermöglichende Aussparungen (15, 16) von einer dem Abstand der beiden Arme (CC und AB, B'A') des zu erzielenden Dipols entsprechenden Länge an von den Schienenenden um die Länge der Halbarme (AB und B'A') entfernten Stellen ausschneidet und dann die Schiene (11) an den Enden dieser Ausschnitte (15, 16) je rechtwinklig auf sich selbst zu umbiegt (Abb. 6 und 7).

   Hierzu 1 Blatt Zeichnungen

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