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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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Wenn die Welle nicht vertikal polarisiert ist, muß der Antennenleiter
in der Polarisationsebene und dem erforderlichen Winkel gegen die Empfangsrichtung
angeordnet werden.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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.
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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. .
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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.
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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.
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Die Erfindung wurde in ihrer Anwendung auf Empfangsantennen beschrieben,
es ist,, aber selbstverständlich, daß sie ebensogut in Verbindung mit Sendeantennen
benutzt werden kann.