DE912944C - Antennensystem mit fortschreitenden Wellen - Google Patents

Antennensystem mit fortschreitenden Wellen

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DE912944C
DE912944C DEE2365D DEE0002365D DE912944C DE 912944 C DE912944 C DE 912944C DE E2365 D DEE2365 D DE E2365D DE E0002365 D DEE0002365 D DE E0002365D DE 912944 C DE912944 C DE 912944C
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DE
Germany
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antenna
conductor
antenna conductor
horizontal
wave
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Expired
Application number
DEE2365D
Other languages
English (en)
Inventor
Michael Bowmann-Manifold
Edward Cecil Cork
Joseph Lade Pawsey
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EMI Ltd
Original Assignee
EMI Ltd
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Expired legal-status Critical Current

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Classifications

    • HELECTRICITY
    • H01ELECTRIC ELEMENTS
    • H01QANTENNAS, i.e. RADIO AERIALS
    • H01Q11/00Electrically-long antennas having dimensions more than twice the shortest operating wavelength and consisting of conductive active radiating elements
    • H01Q11/02Non-resonant antennas, e.g. travelling-wave antenna
    • H01Q11/06Rhombic antennas; V-antennas

Landscapes

  • Variable-Direction Aerials And Aerial Arrays (AREA)
  • Details Of Aerials (AREA)

Description

  • Antennensystem mit fortschreitenden Wellen Die Erfindung betrifft ein Antennensystem zur Übertragung oder zum Empfang drahtloser Signale, bei welchem ein oder mehrere einseitig gerichtete Antennen vorgesehen sind, welche die Sendung oder den Empfang eines breiten Bandes von Kurzwellensignalen, wie sie beispielshalber beim Fernsehen auftreten, gestatten.
  • Die üblichen in der Fernsehtechnik benutzten Antennen bestehen aus einem senkrecht angeordneten Dipol. Solche Antennen sind nicht ohne weiteres befriedigend, da sie dazu neigen, Störungen, wie sie beispielshalber von Motorfahrzeugen und anderen Störquellen erzeugt werden; aufzunehmen.
  • Es ist eine Hauptaufgabe der Erfindung, ein Antennensystem anzugeben, welches weniger störanfällig ist als die bekannten Dipolantennen und welches eine flache Frequenzcharakteristik besitzt und dadurch imstande ist, ein breites Kurzwellenband zu empfangen oder auszusenden, wie es bei der gleichzeitigen Übertragung von Bild und Ton bei Fernsehsendungen erwünscht ist.
  • Wenn auf einem Antennendraht eine fortschreitende Welle besteht, die eine Phasengeschwindigkeit, welche größer als die Lichtgeschwindigkeit ist. besitzt, und wenn die Antenne durch eine Impedanz abgeschlossen ist, welche im wesentlichen gleich dem Wellenwiderstand der Antenne ist, so gibt es Richtungen im Raum, in welchen die Phasen der von sämtlichen Teilen der von der Antenne ausgehenden Strahlung gleich sind. In diesen Richtungen tritt also eine maximale Signalstärke auf, und es wurde gefunden, daß diese Richtungen der maximalen Signalstärke auf einem Kegel liegen, dessen Achse mit der Richtung des Antennendrahtes übereinstimmt. Entsprechendes gilt für die maximale Empfangsstärke bei Empfangsantennen.
  • Gemäß der Erfindung ist ein Antennensystem mit fortschreitenden Wellen zum Senden oder Empfangen derart ausgebildet, daß ein oder mehrere Antennenleiter über ihre ganze Länge in regelmäßigen Abständen mit Kapazitäten belastet sind zum Zweck, um eine Phasengeschwindigkeit der elektrischen Welle, die größer als die Lichtgeschwinkeit ist, zu erreichen; wobei der oder die Leiter in einem solchen Winkel gegen die Horizontale geneigt sind, daß die Erzeugende des Kegels, in dem das Maximum des Strahlungsdiagramms liegt, für jede Einzelantenne in ihrer tiefsten oder höchsten Lage mit der Sende- oder Empfangsrichtung übereinstimmt, wobei die Speiseleitung an dem der Empfangs- oder Senderichtung gegenüberliegenden Ende der Einzelantenne angeschlossen ist.
  • Wenn z. B. das Antennensystem gemäß der Erfindung zum Empfang von vertikal polarisierten Signalen, welche aus einer horizontalen Richtung eintreffen, benutzt werden soll, so muß der Antennendraht eine solche Neigung gegen die horizontale Ebene besitzen, daß diese Ebene den Kegel der größten Empfangs- oder Sendefeldstärke in einer Geraden. die in der Empfangsrichtung liegt, berührt.
  • Wenn die Welle nicht vertikal polarisiert ist, muß der Antennenleiter in der Polarisationsebene und dem erforderlichen Winkel gegen die Empfangsrichtung angeordnet werden.
  • In manchen Fällen tritt eine wesentliche Reflexion der Welle auf, bevor dieselbe die Antenne erreicht. Wenn das der Fall ist, muß der Antennenleiter in einer Ebene, die senkrecht auf der eintreffenden Wellenfront steht, angeordnet sein.
  • Bei der Ausführung der Erfindung wird vorzugsweise ein Antennensystem benutzt, bei dem der oder die Antennenleiter in gleichmäßigen Abständen über ihre ganze Länge mit Reihenkapazitäten belastet sind und bei denen das eine Ende eines jeden Leiters mit der Speiseleitung verbunden ist, während das andere Ende reflexionsfrei abgeschlossen ist durch Verbindung über eine Impedanz mit einer effektiven Erde, die z. B. durch einen oder mehrere Viertelwellenlängenleiter dargestellt sein kann.
  • Wird als Speiseleitung eine konzentrische Leitung benutzt, so wird der Außenleiter vorzugsweise geerdet. Zur Anpassung der Antennenimpedanz an die Impedanz der Speiseleitung kann ein Transformator von geeigneten Eigenschaften zwischen die Antenne und die Speiseleitung geschaltet werden. Im folgenden soll die Erfindung an Hand von Ausführungsbeispielen in Verbindung mit den Abbildungen näher erläutert werden.
  • In Abb. i a ist i ein Luftleiter, welcher insgesamt eine Länge von etwa 2o m besitzt und welcher aus einzelnen Stücken z besteht, die durch Isolatoren 3, welche jeweils durch einen Kondensator von 5o ltaF überbrückt sind, zusammengehalten werden. Diese Kondensatoren bilden die obenerwähnten Reihenkapazitäten; die Isolatoren sind in Abständen von etwa .Io cm angeordnet. Die Antenne ist in einem Winkel gegen die Horizontale von etwa. I5° geneigt angeordnet, und ihr oberes Ende ist über einen Widerstand .I von etwa Sao Ohm künstlich geerdet. Die Impedanz des Luftleiters, der nach den obigen :Angaben zusammengesetzt ist, beträgt -4.5 Ohm. Das untere Ende des Luftleiters ist über einen Transformator 6 mit einer geeigneten Speiseanordnung 7 verbunden, welche z. B. durch eine übliche konzentrische Leitung gebildet werden kann. Das untere Ende des Luftleiters soll z. B. sich etwa z ni über dem Boden befinden, und es wird vorzugsweise eine Viertelwellenlängenleitung als Transformator 6 benutzt, welche die Impedanz des Luftleiters an die Impedanz der Speiseleitung anpaßt. Es ist bekannt, daß ein solcher Viertelwellenlängentransformator zwei ungleiche Impedanzen einander anpaßt, wenn sein eigener Wellenwiderstand gleich dem geometrischen Mittel der beiden anzupassenden Impedanzen ist. In dem vorliegenden Ausführungsbeispiel besteht die Speiseleitung aus einem Außenleber von 5/I6' Innendurchmesser mit einem Kupferinnenleiter Nr. 1ü SWG und Papierisolation. Der Wellenwiderstand einer solchen Speiseleitung beträgt io5 Ohm, und der Anpassungstransformator besteht aus einer konzentrischen Leitung von der Länge einer Viertelwelle mit dem Wellenwiderstand 170 Ohm.
  • Der Außenleiter der Speiseleitung 7 oder der Außenleiter der Transformationsleitung bist an der Antennenseite durch irgendwelche geeignete Mittel geerdet, z. B. durch Anbringung einer oder mehrerer Viertelwellenlängenleitungen.
  • In vielen Fällen wird man eine Anordnung gemäß Abb. i c einer solchen, wie sie an Hand der Abb. i a beschrieben wurde, vorziehen. Bei der Anordnung gemäß Abb. i c ist das Ende ja des Antennenleiters i, mit welchem die Transformationsleitung 6 verbunden ist, höher gelegen als das Abschlußende iv. Die Anordnung ist besonders vorteilhaft an Wohnhäusern zu benutzen. In diesem Fall nimmt die Feldstärke eines gegebenen Senders meist sehr schnell mit der Höhe zu, so daß der obere Teil des Luftleiters die größte Signalstärke aufnimmt. Deshalb ist es wünschenswert, daß dieser Teil des Luftleiters möglichst nahe an der Speiseleitung liegt, so daß ein möglichst geringer Teil der Energie in dem Luftleiter verlorengeht. So kann man unter Umständen mit einer Anordnung gemäß Abb. i c ein besseres Verhältnis von Signalzu Störspannungen bekommen, obwohl eine Anordnung gemäß Abb. r a und i b an sich weniger störanfällig ist. Außerdem zeigen sich bei einer Anordnung gemäß Abb. i c noch Vorteile in bezug auf die Anbringung an einem Gebäude, indem nämlich die Speiseleitung am Dach des Gebäudes angebracht werden kann und das Abschlußende des Luftleiters mit Abspannseilen an einem tieferen Punkt, z. B. an der Erde selbst, verankert werden kann.
  • Mit einer Antennenanordnung, wie sie im vorhergehenden beschrieben wurde, wurde eine Empfangsenergie gemessen, «-elche um 2 Dezibel größer war als die, die mit einer der bekannten Dipolantennen, deren Zentrum in der gleichen Höhe lag wie der oberste Punkt der erfiiidungsgeinäßeii Antenne, gemessen wurde. Gleichzeitig waren Störungen von Motorfahrzeugen u. dgl. in der Umgebung der Antenne schwächer zu bemerken als bei dem Dipol. Die Antenne besitzt eine wesentlich flache Freduenzcharakteristik, so daß sie zum gleichzeitigen Empfang von Bild- und Tonsignalen eines Fernsehsenders sehr geeignet ist.
  • Anstatt die Antenne aus einer Reihe von Drähten, die durch Isolatoren und Reihenkondensatoren verbunden sind. aufzubauen, kann man auch nach einer anderen Ausführungsform der Erfindung die notwendigen Kapazitäten durch übereinandergreifen der Enden von einer Mehrzahl gegeneinander isolierter Leiterstücke herstellen. Der Grad des Übereinandergreifens zwischen den aufeinanderfolgenden Leitern bedingt die Größe der Reihenkapazität. In diesem Fall können die einzelnen Leiter in einem Kern von Isoliermaterial vereinigt sein, der dazu dient, die Leiter in ihrer relativen Lage gegeneinander festzuhalten. Der Kern ist von einer geeigneten Hülle umgeben. welche dazu dient, die Antenne im Gebrauch von Zugspannungen zu entlasten. Bei einer anderen Ausführungsform des Antennenleiters können zwei oder mehr Leiter verdrillt oder gegebenenfalls um eine Kordel herumgelegt sein, wobei die Leiter in bestimmten Abständen auseinandergeschnitten sind, so daß im Effekt eine Reihe von übereinandergreifenden Leiterstücken wie im vorhergehenden Beispiel vorhanden sind. Die verdrillten Leiter können auch in einem Kern aus Isoliermaterial eingebettet sein, welcher von einer geeigneten Hülle umgeben ist. In beiden Fällen müssen die Leiter gegeneinander isoliert sein, sie können z. B. emailliert oder mit Baumwolle umsponnen sein.
  • Ein Richtantennensvstem kann auch durch Kombination von einer Mehrzahl von geneigten Antennendrähten gebildet werden. Ein Antennensystem gemäß der Abb. i enthält zwei geneigte Antennendrähte A und B, welche von einer gemeinsamen Speiseleitung I_ gespeist werden. Der Pfeil C zeigt die optimale Empfangsrichtung an, die, Polarisationsebene des elektrischen Vektors der empfangenen Welle liegt in der Papierebene.
  • Die Abb. 2 zeigt ein »end Fire«-Richtantennensystem, bei welchem drei geneigte und kapazitiv belastete Antennendrähte D, E und F vorgesehen sind. Die einzelnen Drähte besitzen einen horizontalen Abstand d, und es sind Speiseleitungen H und T vorgesehen von solcher Länge, daß die aus der Richtung C eintreffenden Signale an dem Verbindungspunkt der Speiseleitungen mit gleicher Phase eintreffen: Abb. 3 ist eine perspektivische Ansicht einer vorzuziehenden Anordnung. In dieser Anördnung sind zwei geneigte Drähte L und K vorgesehen, welche eine in ihrer Breitseite geneigte Antennenebene bilden; die in einer Ebene, welche senkrecht zur Papierebene liegt (die vertikal angenommen ist) liegt. Die beiden .Drähte haben einen Abstand d und sind einzeln phasengleich gespeist von zwei Viertelwelleiilängentransformationsleitungen M, N und O, P, welche die Antennenimpedanz auf 2 Z" transformieren. Die Hauptspeiseleitung .S besitzt einen Wellenwiderstand Z_, und teilt sich am Punkt C in zwei Zweige, welche jeweils den Wellenwiderstand 2 Z, und gleiche Längen besitzen. Diese sind mit den Enden der Transformationsleitungen M, N und O, I' verbunden, so daß in dem ganzen System richtige Anpassung herrscht.
  • In Abb. q. bedeuten M und P die beiden unteren Enden der Antennendrähte L und K aus der Abb. 3, welche einen gegenseitigen Abstand M, P besitzen, der gleich d ist. Q, M zeigt die Richtung der empfangenen ebenen Welle bei maximalem Empfang an, und R, P zeigt eine ebene Welle, welche unter dem Winkel O einfällt. Q, M, R, M ist senkrecht zu der fortschreitenden Wellenfront R, P und liegt daher parallel zur Fortschreitungsrichtung der Welle. Wenn R, M = d sin 0- = V2 ist; so löschen sich die in den beiden Antennendrähten empfangenen Signale gegenseitig aus, und man erhält ein Minimum an Empfangsenergie. Wenn jedoch d sin 0 = @ ist, so erreicht die empfangene Signalstärke ein zweites Maximum. Wenn man diese Bedingungen benutzt, kann man die Richteigenschaften der Antennen verbessern.
  • Die ausgezogene Kurve in der Abb. 5 möge z. B. das Horizontaldiagramm eines einzelnen geneigten Antennendrahtes darstellen, wobei der Abstand von T die Signalstärke angibt. Maximale Signalstärke wird von dem Antennendraht aufgenommen, wenn die einkommende Welle aus der Richtung V kommt und der geneigte Antennendraht in der Polarisationsebene liegt. Wenn der Abstand der Antennendrähte in der Anordnung gemäß Abb. 3 derart gewählt ist, daß ein Minimum an Empfangsenergie bei Signalen, die aus der Richtung X oder N' eintreffen, auftritt, dann kann der Winkelbereich zu beiden Seiten der Linie T, h, in welchem eine große Signalstärke erreicht wird, vermindert werden. Wenn der Abstand der beiden Drähte z. B. 3/,i der Wellenlänge beträgt, erhält man ein Minimum der Empfangsenergie unter einem Winkel von d.2° von der maximalen Empfangsrichtung. Es tritt dann in keiner Richtung eine vollständige gegenseitige Verstärkung, wie sie einer Wegdifferenz von einer Wellenlänge entsprechen würde, auf, jedoch tritt eine teilweise gegenseitige Verstärkung auf in einem Winkelbereich zwischen 8o und 9o°, wie durch die Linien T, Y und T, Y' in der Abb. 5 angedeutet ist. Immerhin ist die aufgenommene Energie der einzelnen Drähte in diesem Winkelbereich so klein, daß die Richteigenschaften der Antennenanordnung nicht wesentlich beeinflußt werden durch das Auftreten eines solchen Maximums. .
  • Eine weitere Ausführungsform der Erfindung ist in der Abb.6 gezeigt, in welcher acht geneigte Antennendrähte i i an geeigneten Unterstützungseinrichtungen i2 aufgehängt sind, wobei jeder Antennendraht an seinem oberen Ende i iu gespeist wird und an seinem unteren Ende iib durch einen Widerstand abgeschlossen ist. Diese Anordnung ergibt in vielen Fällen in der Nähe des Erdbodens einen höheren Wirkungsgrad, wie es bereits an Hand der Abb. i c auseinandergesetzt wurde. Die Drähte sind in zwei horizontalen Reihen zu vier angeordnet, wobei der gegenseitige Abstand der Drähte in jeder Reihe etwa 1/2 oder 3/4.2 beträgt, während die beiden Reihen durch einen vertikalen Abstand von V2 getrennt sind.
  • jeder Antennendraht ist durch eine @/4-Transformationsleitung mit einer Speiseleitung verbunden, deren Wellenwiderstand i4.11 Ohm beträgt. Die acht Speiseleitungen besitzen gleiche Länge und haben parallel geschaltet einen gesamten Wellenwiderstand von 1411/x Ohm, welcher durch .eine weitere 2./4-Transformationsleitung auf den Wellenwiderstand der Hauptspeiseleitung transformiert wird. Diese ganze Speiseanordnung ist in der Abb.6 nicht gezeichnet. Bei einer Anordnung gemäß Abb.6 wurde ein Antennengewinn gegenüber einem Ä/2-Dipol, der in gleicher Höhe angebracht war, von etwa 5 bis 6 bei Angabe im Spannungsverhältnis gefunden.
  • Die Erfindung wurde in ihrer Anwendung auf Empfangsantennen beschrieben, es ist,, aber selbstverständlich, daß sie ebensogut in Verbindung mit Sendeantennen benutzt werden kann.

Claims (3)

  1. PATENTANSPRÜCHE: i. Antennensystem mit einem oder mehreren mit fortschreitenden Wellen gespeisten Antennenleitern, die insbesondere über ihre ganze Länge in regelmäßigen Abständen mit Reihenkapazitäten belastet sind, dadurch gekennzeichnet, daß der oder die Antennenleiter in einem solchen Winkel gegen die Horizontale geneigt sind, daß die Erzeugende des Kegels, in dem das Maximum des Strahlungsdiagramms liegt, in ihrer tiefsten und höchsten Lage mit der Sende- oder Empfangsrichtung übereinstimmt und daß die Zu- oder Abführung der Hochfrequenzenergie jeweils an der Seite des Antennenleiters erfolgt, welche dem über einen Widerstand reflexionsfrei abgeschlossenen und geerdeten Antennenleiterende gegenüberliegt.
  2. 2. Anordnung nach Anspruch i zum Empfangen oder Senden von vertikal polarisierten Wellen, deren Fortpflanzungsrichtung horizontal ist, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenleiter eine solche Neigung besitzt, daß die Horizontalebene den durch das Maximum der Strahlungsanergie gebildeten Kegel auf einer Geraden, die in der Empfangs- bzw. Senderichtung liegt, berührt.
  3. 3. Anordnung nach Anspruch i, dadurch gekennzeichnet, daß der Antennenleiter aus einer Mehrzahl von relativ kurzen Leiterstücken gebildet ist, welche an ihren Enden übereinandergreifen.
DEE2365D 1937-02-09 1938-02-10 Antennensystem mit fortschreitenden Wellen Expired DE912944C (de)

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