DE907428C

DE907428C - Vertikalantenne

Info

Publication number: DE907428C
Application number: DEW3478D
Authority: DE
Inventors: John Floyd Morrison
Original assignee: Western Electric Co Inc
Current assignee: AT&T Corp
Priority date: 1936-05-09
Filing date: 1937-04-23
Publication date: 1954-03-25
Also published as: GB474573A; NL51370C; BE421170A; FR821125A; CH214297A; US2153768A

Description

Die Erfindung bezieht sich auf eine Vertikalantenne vom Turm- oder Masttyp und mit einer Erdverbindung, welche für die Wellenenergie bei Betriebsfrequenz einen vernachlässigbaren Widerstand aufweist. Die Erfindung hat zum Ziel, eine möglichst wirksame Ausstrahlung einer Antenne der genannten Art bei möglichst geringem Kostenaufwand zu verwirklichen.

Die Besonderheit der Erfindung besteht darin, daß die Höhe der Antenne in der Größenordnung von 0,4 bis 0,6 Wellenlänge liegt und daß die Energiequelle an einem Zwischenpunkt der Antenne angeschlossen ist. Der Anschluß der Energiequelle erfolgt zweckmäßig in der Weise, daß die Antennenabschnitte oberhalb und unterhalb des Anschlußpunktes Hochfrequenzfelder ungleicher Phase erzeugen und zwecks Bildung eines starken Erdfeldes die Intensität des von dem unteren Antennenabschnitt erzeugten Feldes verringern.

Es hat sich als zweckmäßig erwiesen, den die Energiequelle mit dem Zwischenpunkt der Antenne verbindenden Leiter mit einem schrägen Strahlungsabschnitt auszustatten, wobei das von diesem Abschnitt ausgestrahlte Feld eine vertikale polarisierte Komponente besitzt, welche der vertikalen polarisierten Komponente des von dem unteren Antennenteil ausgestrahlten Feldes entgegengesetzt gerichtet ist. Der schräge Strahlungsabschnitt des Verbindungsleiters ist dabei zweckmäßig an einen nicht strahlenden koaxialen Ab- ; schnitt angeschlossen.

Nach einer anderen zweckmäßigen Ausführungsform ist die Energiequelle an die Antenne mittels eines koaxialen Leiters angeschlossen, dessen*⁴

Außenleiter mit Erde verbunden ist und dessen Innenleiter die Verbindung von der Energiequelle zu dem Zwischenpunkt der Antenne bildet, an welchem die Endimpedanz im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand der Leitung ist. Es empfiehlt sich dabei, zwischen dem schrägen Leiter und dem Innenleiter des koaxialen Abschnittes einen kapazitiven Widerstand anzuordnen und die Länge und die Neigung des Strahlungsabschnittes so zu wählen, daß in der Leitung keine Rückstrahlungen auftreten. Der erwähnte kapazitive Widerstand kann aus einer Mehrzahl im Abstand angeordneter linearer Leiter bestehen.

Der Gegenstand der Erfindung soll an Hand der Zeichnung näher erläutert werden.

Abb. ι zeigt eine Antennenausführung nach der Erfindung;

Abb. 2 A, 2 B, 2 C und 2 D sind Diagramme, die zur Erläuterung der in 'der Abb. 1 dargestellten An-Ordnung dienen;

Abb. 3 A zeigt schematisch die Endimpedanz der koaxialen Leitung in der Anordnung der Abb. 1;

Abb. 3 B zeigt Kurven, die die verschiedenen Endimpedanzen der Übertragungsleitung darstellen, die durch die Anordnung in der Abb. 1 entstehen; Abb. 4 zeigt eine von Abb. I abweichende Ausführungsform nach der Erfindung.

In der Abb. 1 ist ein selbstschwingender, vertikaler Antennenmast 1 auf einem Betonfundament befestigt und über eine aus den Stegen 3 bestehende Impedanz Null mit einer geerdeten Abschirmung 4 verbunden. Die Höhe H der Antenne 1 liegt in der Größenordnung von 0,4 bis 0,6 Wellenlängen und beträgt vorzugsweise 0,58 Wellenlängen. Verspannungen 5 mit zugehörigen Isolatoren 6 können zur Stützung der Antenne Verwendung finden. Von dem Hochfrequenzsender 7 geht eine koaxiale Übertragungsleitung 8 niedriger Impedanz aus, die aus einem Innenleiter 9 und einem Außenleiter 10 besteht und vorzugsweise auf ihrer ganzen Länge unterirdisch verlegt ist. Das Verhältnis des Innendurchmessers des Außenleiters zum Außendurchmesser des Innenleiters wird zweckmäßig mit etwa 3,7 gewählt. Der Innenleiter 9, der rohr- oder stabf örmig sein kann, steht über eine veränderliche Kapazität 11 mit dem geneigten strahlenden Leiter 12 in Verbindung, welcher veränderlich oder unveränderlich an einen Punkt 13 der Antenne 1 angeschlossen ist.

In den Abb. 2 A und 2 B ist eine im freien Raum stehende Antenne mit 14 bzw. 15 bezeichnet, wobei die Länge der Antenne im ersten Fäll eine Viertelwellenlänge und im zweiten Fall eine halbe Wellenlänge beträgt. Wie die Kurven zeigen, ist eine theoretisch für richtig befundene sinusförmige Strom- und Spannungsverteilung angenommen. Bei der Erregung einer Antenne von einer halben Wellenlänge beträgt die Spannung an jedem Ende ein Maximum, während bei der Erregung einer Antenne von einer Viertel wellenlänge die Spannung an dem einen Ende ein Maximum und an dem an-, dem Ende den Wert Null, das als das untere Ende betrachtet werden kann, aufweist. Es wurde bisher als notwendig erachtet, das untere, unter hoher Spannung stehende Ende einer vertikalen aperiodischen Antenne von einer halben Wellenlänge gegen Erde, die allgemein das Potential Null besitzt, zu isolieren. Es wurde ferner angenommen, daß die Erdung des unteren, ein Potential Null aufweisenden Endes einer vertikalen Viertelwellenlängenantenne die Betriebsweise keineswegs beeinflußt.

Wie die Kurve 16 in der Abb. 2 C zeigt, wird die geerdete Antenne der Anordnung nach Abb. r von dem Sender 7 erregt und hat eine aperiodische Länge oder eine. Länge etwa einer Viertelwellenlänge. Weder die Stromverteilung noch die um 90⁰ zu dem Strom verschobene Spannungsverteilung ist sinusförmig, sondern komplex. Der Kurve 16 liegen tatsächliche Messungen zugrunde, und die Kurve zeigt, daß der Antennenstrom in der unmittelbaren Nähe des unteren Endes des etwa eine halbe Wellenlänge betragenden Strahles ein Maximum beträgt, während ein Minimum an dem Anzapfungspunkt 13 entsteht. Hierbei ist zu bemerken, daß der Strom der stehenden Welle in einem Sinn durch einen Minimumwert verläuft und an dem Punkt 13 umkehrt, wodurch der durch den unterhalb des Punktes 13 liegende Teil der Kurve 16 dargestellte Strom im wesentlichen phasenverschoben zu dem durch den Teil der Kurve ιό oberhalb des Punktes 13 dargestellten Strom ist. Der Kopplungsstrom in dem unteren Teil der Antenne strahlt Energie aus und unterstützt die Ausstrahlung, die durch den Antennenstrom erzeugt wird, wobei ein intensives Feld in dem unteren Teil der Antenne, wie durch die Kurve 16 dargestellt, entsteht. Wenn dieses untere Antennenfeld nicht verringert werden würde, so würde es die gesamte Ausstrahlung nachteilig beeinflussen, die Richtung der maximalen Antennenausstrahlung höherlegen, die gewünschte Fortpflanzung der Grundwellen verringern und die Fortpflanzung nach oben erhöhen. Wie nachstehend beschrieben, ist der Leiter 12 absichtlich geneigt, so daß seine Ausstrahlung zum Teil, wenn nicht vollständig, die Ausstrahlung von dem unteren Teil der Antenne ι ausgleicht, die durch den Kopplungsstrom hervorgerufen ist, wobei die entstehende Ausstrahlung der gesamten aus der Antenne 1 und dem Leiter 10 bestehenden Anlage der durch die Kurve no 17 dargestellten Stromverteilung entspricht. Zum Vergleich zeigt die Kurve 18 die Stromverteilung einer in Reihe erregten oder einer bekannten isolierten Antenne, deren Länge 0,58 Wellenlängen, d. h. etwa eine halbe Wellenlänge beträgt. Hierbei ist zu beachten, daß die Strahlwirkungen der geerdeten Antenne und die der mit großen Kosten verbundenen bekannten Antennen im wesentlichen die gleichen sind.

Die aufhebende Wirkung für das Feld, die durch i_ao den geneigten Leiter 10 entsteht, soll nun an Hand der Abb. 2 D näher erörtert werden. Der Pfeil 19 zeigt die Richtung des in dem Leiter 12 in einem gegebenen Augenblick fließenden Stromes; diese entspricht der Richtung des ursprünglich ausgestrahlten Feldes. Das Feld besitzt eine horizontal

polarisierte Komponente 20 und eine vertikal polarisierte Komponente 21. Der über die Leitung 12 zu dem Antennenmast fließende Strom teilt sich in dem Anzapfungspunkt 13, von wo der Strom in entgegengesetzten Richtungen fließt. Das daraus entstehende vertikal polarisierte Feld, das von dem oberen Teil der Antenne ausgestrahlt ist, ist durch den Pfeil 22 dargestellt, während das entgegengesetzt gerichtete vertikal polarisierte Feld, das durch den unteren Teil der Antenne hervorgerufen wird, durch den Pfeil 23 angedeutet wird. Das Feld 23 überwiegt das Feld 22. Wie in dem Vektordiagramm angedeutet, wirkt das Feld 21 gegen das Feld 23 und hebt im wesentlichen die durch den Kopplungsstrom hervorgerufene Wirkung auf. Das Vektordiagramm der Abb. 2 D kann bei vertikalen, an einem der zwischenliegenden Punkte erregten Antennen Anwendung finden, wenn diese eine Länge zwischen einer Vierteiao wellenlänge und einer halben Wellenlänge besitzen, da das Feld des Kopplungsstromes dem Feld des geneigten Leiters entgegenwirkt. Es ist leicht ersichtlich, daß eine wirksamere Ausstrahlung nicht nur bei parallel erregten, aperiodischen Antennen, sondern auch bei parallel erregten, geerdeten Viertelwellenlängenantennen entsteht, wenn die Energie über eine der Antenne gegenüber geneigte strahlende Leitung zugeführt wird. Ein optimales Ergebnis wird eher durch die Verwendung eines geneigten als durch die Verwendung eines vertikalen oder horizontalen Leiters 12 erhalten werden, da bei einer horizontalen Lage keine Aufhebung durch eine vertikal polarisierte Welle erfolgt, während bei einer im wesentlichen vertikalen Lage dieses Leiters ein großer Teil der Antenne 1 unwirksam wird, wenn der Anzapfungspunkt 13 sehr hoch liegt, und dies muß der Fall sein, um eine angepaßte Endimpedanz für die Leitung 8 zu erhalten.

Eine angepaßte Endimpedanz für die Leitung 8 entsteht wie folgt: Die Belastungsimpedanz Z_s der Abb. 3 A, welche die Leitung 8 abschließt, besteht aus dem Wellenwiderstand Z₀ zwischen dem Leiter 12 und Erde, der verteilten Impedanz Z₀ des oberen Teiles der Antenne und einer Impedanz Z_c des unteren Teiles der Antenne, die in Reihe mit der Impedanz Z_g liegt, bestehende Parallelimpedanz. Wie aus der Abb. 3 B hervorgeht, können die Widerstands- und Reaktanzwerte am Ende der Leitung 8 leicht durch die genaue Wahl der Größen h und d bestimmt werden, wobei die Buchstaben R und X der Kurven den Widerstand bzw. die Reaktanz bezeichnen. So können z. B. ein Widerstand von 60 Ohm und eine Reaktanz von 200 Ohm erzielt werden, wenn die Größe h — etwa 0,03 Wellenlänge und die Größe d etwa = 0,022 Wellenlänge gemacht wird. Andererseits werden die gleichen Zahlen erreicht, wenn die Größe h = 0,037 Wellenlänge und die Größe d — 0,012 Wellenlänge beträgt. In Versuchsanlagen war der Leiter 12 zwischen 40 und 50⁰ geneigt. Die Größen h und d waren beide etwa gleich 24 m, während die Höhe der Antenne etwa 150 m betrug, um die Wirkung des Kopplungsstromes aufzuheben und die Leitung8 zweckmäßig abzuschließen. Die Endimpedanz Z_T des geneigten Leiters ist durch die folgende Gleichung bestimmt:

Z —

ζ_α(ζ.+ζ_β

(A)

in der Z₀ die Impedanz der Antenne oberhalb des Anzapfungspunktes, Z_c die Impedanz der Antenne unterhalb des Anzapfungspunktes und Z_g ein in der Beschreibung erwähnter Berichtigungsfaktor ist. Die Impedanz Z am Sendeende des geneigten Leiters ist nach der Theorie für verlustarme Leitungen

γ _ Z₀Z_r(X + tg²)/? .

^s ~ ~zT+zltg*ß ' ^?

tgß(zl-z² _r)

(B)

worin β = 2 π mal der Länge des geneigten Leiters in Wellenlängen ist. Z₀ ist der Wellenwiderstand des geneigten Leiters. Er ist gleich

(Q

wobei D die durchschnittliche Höhe des geneigten Leiters über der Erde und t der Durchmesser des geneigten Leiters ist.

An Stelle des punktförmigen Kondensators 11 zum Ausgleich der verteilten induktiven Reaktanz des unteren Teiles der Antenne 1 kann eine veränderliche verteilte Kapazität 24 in der Abb. 4 benutzt werden. Diese verteilte Kapazität besteht aus einer Anzahl von Leitern, beispielsweise zwei oder vier, deren gegenseitiger Abstand veränderlich ist. Diese in der Abb. 4 dargestellte Anordnung ist einfacher und wirtschaftlicher.

Claims

PATENTANSPRÜCHE:

1. Vertikalantenne vom Turm- oder Masttyp und mit einer Erdverbindung, welche für die Wellenenergie bei Betriebsfrequenz einen vernachlässigbaren Widerstand aufweist, dadurch gekennzeichnet, daß die Höhe der Antenne in der Größenordnung von 0,4 bis 0,6 Wellenlänge liegt und daß die Energiequelle an einem Zwischenpunkt der Antenne angeschlossen ist.

2. Antenne nach Anspruch 1, gekennzeichnet durch einen solchen Anschluß der Energiequelle, daß die Antennenabschnitte oberhalb und unterhalb des Anschlußpunktes Hochfrequenzfelder ungleicher Phase erzeugen und zwecks Bildung eines starken Erdfeldes die Intensität des von dem unteren Antennenabschnitt erzeugten Feldes verringern.

3. Antenne nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß der Anschluß der Energiequelle eine Reaktanz enthält, deren Kennlinie und Größe gleich und entgegengesetzt den entsprechenden Werten der Reaktanz des unteren iao Antennenabschnittes sind.

4. Antenne nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der die Energiequelle mit dem Zwischenpunkt der Antenne verbindende Leiter einen schrägen Strahrungsabschniitt aufweist und daß das von diesem

Abschnitt ausgestrahlte Feld eine vertikale polarisierte Komponente besitzt, welche der vertikalen polarisierten Komponente des von dem unteren Antennenteil ausgestrahlten Feldes entgegengesetzt gerichtet ist.

5. Antenne nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, daß der schräge Strahlungsabschnitt des Verbindungsleiters an einen nicht strahlenden koaxialen Abschnitt angeschlossen ist.

6. Antenne nach Anspruch 1 und 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Energiequelle an die Antenne mittels eines koaxialen Leiters angeschlossen ist, dessen Außenleiter mit Erde verbunden ist und dessen Innenleiter die Verbindung von der Energiequelle zu dem Zwischenpunkt der Antenne bildet, an welchem die Enditnpedanz im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand der Leitung ist.

7. Antenne nach Anspruch 5, dadurch gekennzeichnet, daß ein kapazitiver Widerstand zwischen dem schrägen Leiter und dem Innenleiter des koaxialen Abschnittes angeordnet ist und daß die Länge und die Neigung des Strahlungsabschnittes so gewählt sind, daß in der Leitung keine Rückstrahlungen auftreten.

8. Antenne nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, daß der kapazitive Widerstand aus einer Mehrzahl im Abstand angeordneter linearer Leiter besteht.

Angezogene Druckschriften:
Britische Patentschriften Nr. 25 658, 237584, 982.

Hierzu 1 Blatt Zeichnungen